1.4. Xử lý nước thải giàu cacbon và nitơ bằng công nghệ MBBR
1.4.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ ngoài nước và trong nước
Bể phản ứng màng sinh học đệm chuyển động (MBBR) (hay bể lọc màng sinh học vật mang lơ lửng (SCBR) hay bể lọc đệm tầng sôi). Quá trình MBBR dựa trên việc sử dụng các vật mang bằng nhựa lỗ rỗng lơ lửng, được giữ chuyển động liên tục trong bể hiếu khí, trong khi sinh khối hoạt tính sinh trưởng như một màng sinh học trên các bề mặt của chúng. Những ưu điểm chính của phương pháp này so với các quá trình sinh trưởng lơ lửng thông thường là: nồng độ sinh khối cao hơn, thời gian lắng bùn không dài, mức độ nhạy với các hợp chất độc thấp hơn và loại bỏ được cả chất hữu cơ và lượng amoni cao trong một quá trình đơn. Welander và cộng sự đã ghi nhận hiệu quả xử lý Do những vấn đề chính của bùn là sự kết khối hoặc không đủ khả năng phân tách trong các hệ thống hiếu khí thông thường, nên một số quá trình hiếu khí cải tiến, được gọi nitơ đạt 90% trong khi COD chỉ khoảng 20%. Trong trường hợp xử lý nước rỉ rác chứa nồng độ amoni cao, quá trình ức chế nitrat hóa không được tính đến. Hơn nữa, sử dụng cacbon hoạt tính dạng hạt (GAC) như một vật liệu lỗ xốp mang đến một bề mặt thíc hợp để hấp phụ vật chất hữu cơ và tối ưu các điều kiện để tăng cường quá trình phân hủy sinh học. Imai và cộng sự đã phát triển một quá trình đệm tầng sôi cacbon hoạt tính sinh học hiệu quả. Gần 70% các chất hữu cơ khó phân hủy đã được loại bỏ bởi sự kết hợp của quá trình xử lý sinh học và hấp phụ. Một số nghiên cứu về công nghệ MBBR để xử lý nước rỉ rác đã được đề cập [17, 19]:
Chen và các cộng sự (2008) [13]: nghiên cứu xử lý đồng thời COD và amoni từ nước rỉ rác bằng cách sử dụng hệ thống bể MBBR kỵ khí và hiếu khí. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý COD của hệ thống có thể lên đến 94% khi
tải trọng là 0,48 kg COD/m 3 .ngày, và có thể loại bỏ 97% NH 4 + -N với thời gian lưu thủy lực của bể MBBR hiếu khí lớn hơn 1,25 ngày.
Nghiên cứu của nhóm tác giả thuộc Norwegian Water Technology & The Norwegian Institute of Technology, The University of Trondheim, Norway (1993) [21] về quá trình nitrat hóa trong MBBR. Kết quả đã chỉ ra MBBRs rất thích hợp cho mục đích nitrat hóa. Với nồng độ oxy được kiểm soát 4,5 5g O2/m3, tốc độ nitrat hóa là khoảng 0,8g NOx-N/m2.ngày. Khi lượng amoni cũng như lượng kiềm quá giới hạn sẽ làm hạn chế lượng oxy trong hệ thống, vốn là yêu cầu quan trọng trong quá trình nitrat hóa. Trong điều kiện thực nghiệm, với nồng độ oxy 5g/m3 và ở nhiệt độ 15 độ C, quá trình nitrat hóa có thể loại bỏ tải lượng hữu cơ lên tới trên 5g BOD5/m2.ngày.
Kermani và cộng sự (Isfahan University of Medical Sciences, Iran) (2008) đã ứng dụng công nghệ MBBRs trong xử lí nước thải đô thị. Kết quả nghiên cứu thu được: hiệu quả xử lý COD trung bình lên tới 95,7%; từ đầu vào 500 mg/l đến bể yếm khí đã giảm xuống 273 mg/l; sau thiếu khí 1 và 2 chỉ còn 92mg/l; đến hiếu khí thì COD còn 21 mg/l. Hiệu quả loại bỏ phospho: với điều kiện đầu vào là 500 mg/l COD và 12,5mg/l PO4-P thì kết thúc quá trình đạt được hiệu suất tới 87,92%. Hiệu quả xử lý nitơ: quá trình nitrat hóa chuyển hóa amoni thành những hợp chất khác với oxy của Nitơ như NO2- hay NO3-, sau đó các chất này được chuyển tiếp thành khí N2 nhờ quá trình khử nitrat. Tải lượng NH4-N được xác định cao nhất là 0,3132 g/m2.ngày. Điều kiện đầu vào là 500 mg/l và 62,5mg/l NH4-N, hiệu quả xử lý amoni lên tới 99%. Nếu tốc độ nitrat hóa được tính là số gam NOx được tạo thành trên một đơn vị diện tích trong một ngày, thì giá trị trung bình của thông số này là 0,1116 g/m2.ngày. Sau những thực nghiệm về tốc độ nitrat hóa và khử nitrat, nghiên cứu đưa ra kết quả về hiệu suất xử lý tổng N của hệ thống này là lên tới 84,6% trong điều kiện tối ưu đã đưa ra ở trên.
Hajipour và cộng sự đã ứng dụng công nghệ MBBR trong hệ thống hiếu khí ưa nhiệt mục đích xử lý nước rỉ rác. Vật liệu mang là plastic, đường kính và chiều cao lần lượt là 17mm và 14mm; thực nghiệm với thể tích giá thể chiếm 54% thể tích thiết bị phản ứng; hệ thống hiếu khí ưa nhiệt nên nhiệt độ cho thực nghiệm yêu cầu duy trì từ 40 đến 50 độ. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: hiệu suất xử lý COD
khoảng từ 62- 70%, tải trọng hữu cơ lên tới 4678 kgCOD/m3.ngày, tỉ lệ tuần hoàn sinh khối là từ 1-1,5. Với hệ thống hiếu khí ưa nhiệt như vậy thì hiệu suất xử lý COD cao hơn hệ thống MBBRs thông thường từ 5-10% xét cùng thời gian lưu và tải lượng hữu cơ.
Mehdi Ahmadi đã nghiên cứu so sánh nâng cấp công nghệ xử lý nước thải bằng công nghệ MBBR bằng cách nghiên cứu thay đổi các thông số giữa công nghệ xử lý sinh học cũ và công nghệ MBBR để đưa ra kết quả tối ưu hơn. Thiết lập mô hình MBBR với giá thể chiếm 70% thể tích với bề mặt 112m2/m3; duy trì cả 2 hệ thống cùng oxy hòa tan, nhiệt độ, pH, tốc độ dòng khí, lưu lượng nước đầu vào:lưu lượng thay đổi 48 – 100 l/h, thời gian lưu thủy lực (HRT) 6,7 – 14h cho quá trình oxy hóa (với giai đoạn phản ứng hiếu khí 3,3-7 giờ); lấy mẫu và phân tích các chỉ số : TSS; TKN; COD; N-NH4; N-NO2; N-NO3; VSS. Kết quả thu được: hiệu suất xử lý COD của MBBR là 84% còn bùn hoạt tính 76%, hiệu suất xử lý amoni của MBBR có thể lên đến 92%. Ngoài ra theo đánh giá về tải lượng bùn thải và dòng tuần hoàn bùn MBBR ưu điểm hơn so với công nghệ bùn hoạt tính thông thường.
Mehdi Ahmadi, Hassan Izanloo, Aliakbar Mehr alian, Hoda Amiriand Mohammad Noori Sepehr: Nghiên cứu nâng cấp công nghệ xử lý của nhà máy xử lý nước thải Kish Island Markazi bằng công nghệ MBBR. Nghiên cứu cải tiến chuyển từ công nghệ bùn hoạt tính thông thường sang công nghệ MBBR bằng đánh giá ảnh hưởng của việc nâng cấp các thông số khác nhau như OLR, MLSS, chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (MLVSS), SRT, SVI, HLR, cùng hiệu quả xử lý của COD, BOD5 và tổng chất rắn lơ lửng (TSS). Duy trì điều kiện yếu tố đầu vào hệ thống với BOD5 từ 130 – 173,5 mg/l, COD từ 240-438 mg/l; TSS từ 93,56-195,17 mg/l; nhiệt độ 24,5-33,32 oC; pH từ 6,83-7,92; lưu lượng vào bể bùn hoạt tính từ 971-1.207 m3/d; lưu lượng vào bể MBBR 1.379- 2.306 m3/ngày. So sánh giữa bể bùn hoạt tính và bể MBBR sau khi nâng cấp:
- Công nghệ bùn hoạt tính: lưu lượng vào: 1.049 ± 88 (m3/d), số bể: 2, thể tích bể phản ứng: 300 (m3), HRT: 20,6 ± 1,6 (giờ), OLR: 0,32 ± 0,04 (kgCOD/m3.ngày).
- Công nghệ MBBR: lưu lượng vào: 1.944 ± 275 (m3/d), số bể: 1, thể tích bể phản ứng: 150 (m3), HRT: 5,8 ± 1,2 (giờ), OLR: 1,8 ± 0,36 (kgCOD/m3.ngày). Từ
kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi áp dụng nâng cấp công nghệ bùn hoạt tính thành công nghệ MBBR giúp tăng lưu lượng đầu vào từ 1.049 ± 88 m 3 /ngày lên 1.944 ±275 m 3 /d; giảm số bể phản ứng từ 2 bể xuống 1 bể và giảm diện tích bể phản ứng đi 50%; tăng tải trọng hữu cơ từ 0,32±0,04 lên 1,8±0,36.
A. Imai, K. Onuma, Y. Inamori, R. Sudo (1998) đã ứng dụng hệ MBBR để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 108 mg/l, tỷ lệ BOD/COD=0,06, pH: 8,0 trong bể phản ứng thể tích 4,5 lít ở nhiệt độ 20 o C, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 42-57%.
P. Haapea, S. Korhonen, T. Tuhkanen (2002) đã ứng dụng hệ MBBR để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 480 mg/l, tỷ lệ BOD/COD=0,05, pH: 7,7 trong bể phản ứng thể tích 2,0 lít, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 60-80%. U. Welander, T.
Henryson, T. Welander (1997) đã ứng dụng hệ MBBR để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 800-1300mg/l, tỷ lệ BOD/COD=0,1, pH: 8,0 trong bể phản ứng thể tích 0,22-0,6 lít ở nhiệt độ 5-22 o C, HRT=2-5 ngày, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 20- 30%.
U. Welander, T. Henryson (1998) đã ứng dụng hệ MBBR để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 800-2000 mg/l, bể phản ứng thể tích 5000 lít ở nhiệt độ 17 o C, HRT=4 ngày, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 20%. N.I. Horan, H. Gohar, B. Hill (1997) đã ứng dụng hệ MBBR để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 1740-4850 mg/l, tỷ lệ BOD/COD=0,05-0,1, pH: 9,0 trong bể phản ứng thể tích 1,5 lít ở nhiệt độ 20 o C, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 60%.
R.H. Kettunen, J.A. Rintala (1995) đã ứng dụng hệ MBBR dạng yếm khí – hiếu khí tuần tự để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 2000-3000 mg/l, tỷ lệ BOD/COD=0,41-0,59, pH: 12-13 trong bể phản ứng thể tích 1,0 lít ở nhiệt độ 21 o C, HRT=1 ngày, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 75%.
M.X. Loukidou, A.I. Zouboulis (2001) đã ứng dụng hệ MBBR để xử lý nước rỉ rác với COD đầu vào 5000 mg/l, tỷ lệ BOD/COD=0,2, pH: >7,5 trong bể phản ứng thể tích 8,0 lít, HRT=20-24 ngày, đạt hiệu suất loại bỏ COD: 81%.
b. Nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nước thải giàu cacbon và Nitơ bằng công nghệ MBBR ở Việt Nam còn tương đối ít hoặc chưa bài bản, một số nghiên cứu ứng dụng cụ thể:
Đặng Xuân Hiển và các nhà khoa học tham gia đề tài cấp nhà nước về xử lý nước rỉ rác KC.08.05/11-15 đã đạt được nhiều kết quả ấn tượng khi nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bawnff công nghệ sinh học trên cấu hình của hệ sinh học tổ hợp AAOOA-MBBR.
Nhóm nghiên cứu của Đặng Xuân Hiển tại Đại học Bách khoa Hà Nội và các nhà khoa học tham gia đề tài cấp nhà nước về xử lý nước rỉ rác đã tiến hành nhiều nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ MBBR trên các cấu hình của hệ sinh học tổ hợp AAOOA-MBBR và đã đạt nhiều kết quả tốt trong khuôn khổ của đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu xây dựng công nghệ tích hợp hóa lý – sinh họcthích ứng, hiệu quả, an toàn, bền vững với môi trường sinh thái để xử lý nước rỉ rác từ bãi chôn lấp rác tập trung”, mã số KC08.05/11-15.
Công nghệ xử lý kết hợp giữa quá trình tăng trưởng lơ lửng và dính bám được nghiên cứu chủ yếu ở Việt Nam bằng các vật liệu sơ dừa, chỉ cước khá nhiều.
Tuy nhiên, công nghệ sử dụng bể giá thể di động MBBR vẫn còn khá mới mẻ. Hiện tại, có Công ty Giày Ngọc Hà, Gia Lâm – Hà Nội ứng dụng công nghệ MBBR để xử lý nước thải sinh hoạt 80 m3/ngày.đêm do Công ty MelViet là nhà thiết kế xây dựng vào năm 2009.
Lê Quang Huy, Nguyễn Phước Dân, Nguyễn Thanh Phong (2009) [8], nghiên cứu ứng dụng quá trình thiếu khí từng mẻ để xử lý oxit nitơ nồng độ cao trong nước rác cũ cho hiệu quả khử nitrit có thể đạt đến 95% với tải trọng nitơ đạt 0,115kgN-NO2khử/m3.ngày hay 0,015gN- O2khử/gMLSS.ngày. Với kết quả này đem lại hiệu quả khử nitơ ammonia của cả quá trình xử lý sinh học đạt khoảng 80- 85%;
Hay theo Nguyễn Trọng Lực, Nguyễn Phước Dân, Trần Tây Nam (2009) [6], nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí khử COD và Amoni trên bể phản ứng khí nâng từng mẻ luôn phiên để xử lý nước thải thì với tải trọng chất hữu cơ (OLR) 2,6 và 5,2 kg COD/m3.ngày ứng với nồng độ COD và N-NH4+
lần lượt là 600 mg/l, 1200 mg/L và 26 mg/L, 60 mg/L cho hiệu suất xử lý COD trên 96% và hiệu suất xử lý N- NH4+ là 75 – 90%;
Nghiên cứu của Lê Đức Anh, Lê Thị Minh, Đào Vĩnh Lôc – Trường Đại học Yersin Đà Lạt: nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR xủ lý nước thải sinh hoạt.
Mô hình quy mô phòng thí nghiệm với 2 bể sinh học có giá thể K3 chiếm tỷ kệ 40%
so với thể tích bể. Các thông số vận hành HRT = 4-24h; pH = 6,5-8; DO = 0,1-0,5 mg/l (bể thiếu khí) và 2,5-3,5mg/l (bể hiếu khí). Nghiên cứu tiến hành với các tải trọng hữu cơ : 1; 2; 3 kg COD/m3.ngày. Kết quả nghiên cứu thu được: hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao trong đó hiệu quả xử lý COD qua từng tải trọng 1;2;3 kgCOD/m3.ngày lần lượt đạt 93,22%; 92,82%; 85,61% và hiệu quả xử lý BOD5 tối ưu qua từng tải trọng đạt 84,27%, 93,23%; 94,93%;
CHƯƠNG 2