1.4. Xử lý nước thải giàu cacbon và nitơ bằng công nghệ MBBR
1.4.1. Tổng quan về công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)
a. Giới thiệu về công nghệ MBBR
Như đã phân tích ở trên, các loại nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ như:
nước thải chăn nuôi, nước thải chế biến mủ cao su, nước thải lò giết mổ gia súc, nước thải chế biến thủy sản ngoài các thành phần ô nhiễm dầu mỡ, SS, chất hữu cơ, phốt pho thì thành phần ô nhiễm nitơ cũng rất cao. Vì vậy, để xử lý được tất cả các thành phần ô nhiễm này đòi hỏi phải có sự kết hợp nhiều phương pháp, quá trình
trong đó pha thiếu khí không thể không có. Đây là pha chính để xử lý có hiệu quả thành phần ô nhiễm nitơ trong nước thải.
MBBR có thể được thiết kế cho các cơ sở mới để loại bỏ BOD / COD hoặc loại bỏ nitơ từ các dòng nước thải. Hiện tại các nhà máy áp dụng công nghệ bùn hoạt tính có thể được nâng cấp để có thể khử nitơ và phospho hoặc BOD /COD ở lưu lượng lớn. Các vi khuẩn nuôi cấy sử dụng các chất hữu cơ hòa tan, từng bước trưởng thành trong môi trường đó.
MBBR là một dạng của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm). Trong quá trình MBBR, lớp màng biofilm phát triển trên giá thể lơ lửng trong lớp chất lỏng của bể phản ứng. Những giá thể này chuyển động được trong chất lỏng là nhờ hệ thống sục khí cung cấp oxy cho nước thải.
Công nghệ MBBR là công nghệ kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí và bể lọc sinh học. Bể MBBR hoạt động giống như quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí trong toàn bộ thể tích bể. Đây là quá trình xử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá mang mà những giá mang này lại di chuyển tự do trong bể phản ứng và được giữ bên trong bể phản ứng được đặt ở cửa ra của bể. Bể MBBR không cần quá trình tuần hoàn bùn giống như các phương pháp xử lý bằng màng biofilm khác, vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính trong bể, bởi vì sinh khối ngày càng được tạo ra trong quá trình xử lý. Bể MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể thiếu khí.
Hình 1.4. Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR
Trong bể hiếu khí sự chuyển động của các giá thể được tạo thành do sự khuyếch tán của những bọt khí có kích thước trung bình được từ máy thổi. Trong khí đó ở bể thiếu khí thì quá trình này được tạo ra bởi sự xáo trộn của các giá thể trong bể bằng cánh khuấy. Hầu hết các bể MBBR được thiết kế ở dạng hiếu khí có lớp lưới chắn ở cửa ra, ngày nay người ta thường thiết kế lớp lưới chắn có dạng hình trụ đặt thẳng đứng hay nằm ngang.
b. Giá thể động
Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý này là các giá thể động 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 biofin dính bám trên bề mặt của giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật khi những giá thể này lơ lững trong nước.
Kaldnes Miljϕteknologi AS đã phát triển những giá thể động có hình dạng và kích thước khác nhau. Tùy thuộc vào đặc tính quá trình tiền xử lý, tiêu chuẩn xả thải và thể tích thiết kế bể thì mỗi loại giá thể có hiệu quả xử lý khác nhau. Hiện tại trên thị trường thì có 5 loại giá thể khác nhau: K1, K2,K3, Natrix và Biofin Chip M.
Thông số các loại giá thể sẽ được trình bày ở bảng 2.4.
Hình 1.5. Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix
K1 K2 K3
Natrix Biofilm Chip
M
Bảng 1.7. Thông số các loại giá thể
STT Loại giá thể Chất liệu Kích thước (DxL)
Diện tích hữu dụng (m2/m3)
1 K1 Polyetylen 10mm x 7mm 500
2 K2 Polyetylen 15mm x 15mm 350
3 K3 Polyetylen 25mm x 10mm 350
4 Natrix Polyetylen 60mm x 50mm 310
5 Biofilm Chip M Polyetylen 45mm x 3mm 900
[Nguồn: Kaldnes Miljϕteknologi, 2001]
Tất cả các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước, tuy nhiên mỗi loại giá thể có tỷ trọng khác nhau. Điều kiện quan trọng nhất của quá trình xử lý này là mật độ giá thể trong bể, để giá thể có thể chuyển động lơ lửng ở trong bể thì mật độ giá thể tối đa trong bể MBBR nhỏ hơn 67%. Trong mỗi quá trình xử lý bằng màng sinh học thì sự khuyếch tán của chất dinh dưỡng (chất ô nhiễm) ở trong và ngoài lớp màng là nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý, vì vậy chiều dày hiệu quả của lớp màng cũng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý. Chiều dày của lớp màng trên giá thể động thông thường phải nhỏ hơn 10m, điều này có nghĩa là chiều dày của lớp màng rất mỏng để các chất dinh dưởng khuếch tán vào bề mặt của lớp màng. Để đạt được điều này độ xáo trộn của giá thể trong bể là nhân tố rất quan trọng để có thể di chuyển các chất dinh dưỡng lên bề mặt của màng và đảm bảo chiều dày của lớp màng trên giá thể mỏng.
Những nghiên cứu khác nhau đã chứng minh rằng nồng độ sinh khối trên một đơn vị thể tích của bể là 3 – 4 kg SS/m3, giống như quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính 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 động xảy ra khi các giá thể chuyển động trong bể lớn, các giá thể va chạm vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá
Khe khoảng trống cho phép dòng nước thải di chuyển Biofilm
Protozo thể dễ bong tróc va giảm hiệu quả của quá trình xử lý.
Hình 1.6. Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên ngoài ít hơn bên trong c. Lớp màng biofilm
Lớp màng biofim là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể.
Chủng loại vi sinh vật trong màng biofilm tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng. Hầu hết các vi sinh vật trên màng biofilm thuộc loại dị dưởng (chúng sử dụng cacbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế. Các vi sinh vật tùy tiện có thể sử dụng oxy hòa tan trong hỗn hợp nước thải, nếu oxy hòa tan không có sẵn thì những vi sinh vật này sử dụng Nitric/Nitrat như là chất nhận điện tử. Tại bề mặt của màng biofilm và lớp chất lỏng ứ động để phân lập lớp màng biofilm với chất lỏng được xáo trộn trong bể phản ứng. Chất dinh dưỡng và oxy khuếch tán qua lớp chất lỏng ứ động từ hỗn hợp chất lỏng xáo trộn trong bể MBBR tới lớp màng biofilm. Trong khi chất dinh dưởng và oxy khuếch tán thông qua lớp ứ đọng tới lớp màng biofilm, sự phân hủy sinh học sản xuất ra những sản phẩm khuếch tán từ lớp màng biofilm tới hỗn hợp chất lỏng được xáo trộn trong bể MBBR. Quá trình khuếch tán vào và ra lớp màng biofilm vẫn tiếp tục xảy ra. Khi các vi sinh vật phát triển, sinh khối phát triển và ngày càng dày đặc. Bề dày của sinh khối ảnh hưởng đến hiệu quả hòa tàn oxy và chất bề mặt trong bể phản ứng đến các quần thể vi sinh vật.
Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng của lớp màng biofilm là lối vào đầu tiên để oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua màng biofilm. Khi oxy hòa tan và chất
bề mặt khuếch tán qua mỗi lớp nằm phía sau so với lớp ngoài cùng của màng biofilm thì sẽ được các vi sinh vật tiêu thụ nhiều hơn so với ở lớp biofilm phía trước. Sự giảm nồng độ oxy hòa tan qua lớp màng biofilm đã tạo ra các lớp hiếu khí, tùy tiện, thiếu khí trên màng biofilm.
Những hoạt động vi sinh vật khác nhau xảy ra trong mỗi lớp màng này vì những vi sinh vật đặc trưng phát triển trong những môi trường khác nhau trên biofilm. Ví dụ như các vi sinh vật trong mỗi lớp màng biofilm sẽ có một mật độ thích hợp nhất đối với môi trường oxy hoặc cơ chất trong lớp màng này. Ở lớp màng phía trên của màng biofilm khi nồng độ oxy hóa tan và nồng độ cơ chất cao thì số lượng vi sinh vật hiếu khí sẽ chiếm ưu thế. Ở lớp biofilm ở sâu hơn khi nồng độ oxy và cơ chất giảm thì những vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế hơn những vi sinh vật khác. Trong những lớp này, quá trình Nitrat hoát xảy ra khi Nitrat trở thành chất nhận điện tử đối với vi sinh vật tùy tiện. Vì vậy, những vi sinh vật ở lớp màng biofilm hay dính bám trên bề mặt giá thể sẽ bị ảnh hưởng bởi sự khuyếch tán oxy và cơ chất giảm dần qua lớp màng. Khi những vi sinh vật dính bám trên lớp màng biofilm ban đầu yếu thì hoạt động xáo trộn những giá thể đó sẽ bị rửa trôi lớp màng biofilm ra khỏi giá thể.