1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG KĨ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC YẾM KHÍ
1.2.5. Giới thiệu công nghệ màng sinh học
Nước thải chăn nuôi thuộc loại nước thải có thành phần cặn hữu cơ cao, chứa nhiều hợp chất khó phân hủy sinh học và là một đối tượng rất khó xử lý.
Công nghệ yếm khí luôn là sự lựa chọn đầu tiên đối với loại nước thải này trong đó có kĩ thuật màng sinh học. Những nghiên cứu gần đây cho thấy các tế bào vi sinh vật thường liên kết với nhau thành một cộng đồng và bám dính trên các bề mặt giá thể thông qua mạng lưới các hợp chất ngoại bào, hình thành nên cấu trúc gọi là màng sinh học (biofilm). Màng sinh học là tập hợp nhiều chủng vi sinh vật khác nhau. Màng sinh học có thể được tạo ra ở trên bề mặt của nhiều loại vật liệu khác nhau: nhựa, kim loại, kính, gỗ, … Màng sinh học có ưu điểm là dễ thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống. Cấu trúc màng sinh học
giúp vi sinh vật tồn tại đồng thời tăng khả năng chuyển hoá các hợp chất nitơ, phốt pho trong việc xử lý [53, 77]. Màng vi sinh có chiều dày khác nhau (từ vài chục μm tới hơn 1 cm, thường thấy nằm trong khoảng 1mm) bám trên chất mang dạng rắn và có cấu trúc khá đặc. Phụ thuộc vào nguồn thức ăn và lực cọ sát trong môi trường nước, cấu trúc của màng vi sinh hình thành cũng khác nhau và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý [34, 54, 61].
Hiện nay, ở nhiều nước trên thế giới đã sử dụng công nghệ xử lý yếm khí để xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ cao [26, 33, 36, 85]. Để tăng cường hiệu quả loại bỏ hữu cơ, việc áp dụng vật liệu mang vi sinh nhằm nâng cao mật độ vi sinh cũng được sử dụng rộng rãi, phù hợp với xu hướng nghiên cứu và áp dụng trên thế giới. Sinh khối được hình thành bên trong và bên ngoài vật liệu hỗ trợ giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa các chất ô nhiễm và vi khuẩn tiêu hóa, do đó, làm tăng hiệu quả xử lý tổng thể [46, 49, 57, 94].
Công nghệ màng sinh học trong quá trình xử lý yếm khí là kĩ thuật UASB sử dụng vật liệu mang vi sinh được thể hiện dưới 02 dạng kĩ thuật là Bể phản ứng yếm khí màng vi sinh cố định (AnFBBR) và Bể phản ứng yếm khí màng vi sinh chuyển động (AnMBBR).
1.2.5.2. Giới thiệu một số loại vật liệu mang vi sinh
Vật liệu mang vi sinh là vật liệu được chế tạo bằng nhựa PE, HDPE, PVC hoặc PU..., nó có tác dụng là nơi để vi sinh bám vào và làm tăng mật độ vi sinh trong hệ thí nghiệm xử lý nước thải bằng vi sinh. Vật liệu mang vi sinh có nguồn gốc tự nhiên thường sử dụng trước đây (gỗ, đá), đến ngày nay vật liệu mang tự nhiên hầu hết được thay thế bằng vật liệu nhân tạo hay vật liệu tự nhiên đã biến tính. Vật liệu mang vi sinh đòi hỏi các tính năng như: trơ trong môi trường làm việc, không độc đối với vi sinh, diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao, hệ mao quản hở, độ bền cơ học cao, nhẹ và rất quan trọng là nó tạo ra được dòng chảy đều để tăng khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với cơ chất [75].
Bảng 1.4. Đặc trưng một số vật liệu mang vi sinh trong kĩ thuật yếm khí Chất mang Kích thước
(mm)
Trọng lượng (kg/m3)
Diện tích bề mặt (m2/m3)
Vòng nhựa (K1) 7 x Φ10 0,96 – 0,98 500
Vòng nhựa (K3) 4 x Φ25 0,96 – 0,98 800
Vòng nhựa (K5) 9 x Φ25 0,96 – 0,98 500
BioChip (P) 3 x Φ45 0,96 – 1,02 900
BioChip (M) 2 x Φ48 0,96 – 1,02 1.200
Vật liệu xốp khối 15x15x12 0,95 850
Vật liệu nhựa khối 15x15x10 0,96 680
(Nguồn: Metcalf & Eddy/AECOM, 2014) Về hình thái vật liệu mang có dạng rời (đổ đống) hay được tiền chế dưới dạng khối trụ hoặc hộp. Về mặt bản chất vật liệu mang phổ biến được chế tạo từ polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyvinyl clorua (PVC), có diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp > 80 %. Ngoài ra, trong quá trình tạo hình người ta đưa vào các tác nhân sinh khí để tăng độ xốp, từ đây có các vật liệu mang gốc polyme có độ xốp cao, ví dụ từ PE hãng Herding Filtertechnik tạo ra sản phẩm PELIA, PUR của hãng Bayer là polyuretan xốp. Vật liệu xốp cũng có thể được chế tạo từ vật liệu vô cơ, ví dụ thuỷ tinh xốp, SIRAN, của hãng Schott. Các loại vật liệu xốp có diện tích bề mặt riêng lớn hơn và vi sinh dễ bám dính hơn. Vật liệu xốp có diện tích bề mặt riêng rất lớn là do bề mặt của hệ mao quản đóng góp, diện tích đó chỉ có thể được vi sinh sử dụng khi hệ mao quản hở và có kích thước lớn hơn nhiều lần so với kích thước của vi sinh vật. Một số loại vật liệu mang phổ biến trên thị trường có dạng hình bánh xe (a, b), hình trụ (c, d), hình khối (e, f, g) làm bằng nhựa PE (a, b, c, d), HDPE, PP hay vật liệu xốp như PU (e, f, g)... được trình bày ở Hình 1.3.
a) b) c) d)
e) f) g) Hình 1.3. Một số loại vật liệu mang phổ biến 1.2.5.3. Ứng dụng công nghệ màng sinh học
Ứng dụng vật liệu mang sinh học là một biện pháp để cải thiện hiệu suất của hệ thống xử lý. Nhóm nghiên cứu của Lo K.V. đã sử dụng hai cột UASB lai ghép với nhau (có màng cố định phát triển vi khuẩn) để xử lý chất thải từ chăn nuôi lợn. Ở tải lượng 0,9 - 1,78 gCOD/l.ngày, hơn 95% COD đã được loại bỏ. Khi tải lượng tăng lên 3,5 gCOD/l.ngày, giá trị COD trong nước thải dao động mạnh với mức giảm trung bình lần lượt là 57 và 61% tương ứng với mỗi bể phản ứng. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc bổ sung màng sinh học này làm tăng tính ổn định của bể phản ứng [71].
Tác giả E. Foresti đã nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ UASB ở 25oC, kết quả là với tải lượng COD đầu vào 4,50 kg/m3.ngày thì hiệu quả loại bỏ COD là 87% [43]. Trong khi đó, A.Wilkie đã sử dụng hệ lọc yếm khí dòng chảy xuôi ở 25oC để xử lý nước thải chăn nuôi lợn, hiệu quả loại bỏ COD đạt 52% ở mức tải lượng là 8,4 kg/m3.ngày [104].
Ở quy mô phòng thí nghiệm, Chiemchaisri sử dụng tích hợp hệ thống dòng chảy ngược kết hợp với vật liệu xốp hình khối có kích thước 1,5x1,5x1,5cm (UAFF - Up-Flow Anaerobic Floating Filter) để gắn vi sinh vật và làm sạch chất rắn lơ lửng trong điều kiện yếm khí để xử lý nước thải chăn nuôi lợn, hiệu suất loại bỏ COD và SS tương ứng đạt 89 và 90% ở chế độ tải hữu cơ dao động trong khoảng 4,2 - 6,1 gCOD/l.ngày [35]. Một nghiên cứu của Ruiz sử dụng kĩ thuật UASB kết hợp với lọc yếm khí (AF) để xử lý nước thải giết mổ với tải lượng hữu cơ là 5 và 6,5g/l.ngày, hiệu suất loại bỏ COD tương ứng là 90 và 60% [90]. Theo nghiên cứu của Sombatsompop, so sánh hệ SBR với Moving-bed SBR sử dụng vật liệu mang bằng xốp để xử lý nước thải chăn nuôi lợn ở tải lượng hữu cơ 0,59 - 2,36 kgCOD/m3.ngày thì hiệu quả xử lý COD của hai hệ cao hơn 60% ở tải lượng 0,59 kgCOD/m3.ngày và ở tải lượng từ 1,18 - 2,36 kgCOD/m3.ngày đạt trên 80%. Khi tải lượng tăng lên thì hệ Moving-bed SBR mang lại hiệu quả xử lý tốt hơn và ổn định hơn hệ SBR [95].
Ở Nhật Bản, nhóm tác giả Ngô Vân Anh đã sử dụng vật liệu mang vi sinh dạng ống nhựa được cắt ngắn làm vật liệu vận chuyển trong bể xử lý yếm khí màng sinh học để cải thiện hiệu quả xử lý TVS (Total Volatility Solids) lên đến 25% ở HRT rất ngắn với giá trị TOC đầu vào là 3 g/l để xử lý chất thải bùn hoạt tính [80].
Nhóm tác giả Ahmadlouydarab ứng dụng công nghệ MBBR quy mô phòng thí nghiệm để xử lý nước thải công nghiệp sử dụng chất mang K3 (là một loại vật liệu mang được làm bằng HDPE có dạng hình bánh xe với đường kính 25mm và chiều cao 10mm của Công ty Pakzist), hiệu suất xử lý COD với hàm lượng COD đầu vào 3.500 mg/l đạt trong khoảng 70 - 90% [23].