CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.5. Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng
1.5.1. Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng (MBR)
Công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng (MBR) là quá trình xử lý sinh học kết hợp với tách loại vật lý bằng màng lọc. .
Giai đoạn xử lý sinh học: Trong bể phản ứng, quá trình sinh học phân hủy chất ô nhiễm diễn ra tương tự như các bể BHT thông thường.
Các VSV sử dụng oxy ôxy để oxy ôxy hoá các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ có thể chuyển hoá sinh học trong nước thải, đồng thời chúng sử dụng một phần hữu cơ để sinh năng lượng và tổng hợp tế bào. Do đó các chất ô nhiễm được oxy ôxy hoá hoàn toàn.
CHONS + Vi sinh + O2 CO2 + H2O + NH4+ + Tế bào mới (1.56)
(Chất hữu cơ) (Dị dưỡng) (Năng lượng) Trong nước thải chăn nuôi lợn, thành phần đáng quan tâm trong quá trình xử lý là hợp chất N và hợp chất hữu cơ. Đối tượng chính để xử lý sẽ là hợp chất N, vì khi xử lý được N thì đồng thời chất hữu cơ cũng được xử lý (Lê Văn Cát, 2007).
Trong nước thải hợp chất N có thể tồn tại ở các dạng: trong phân tử chất hữu cơ (protein, axit amin), dạng amoni/amoniac (tỷ lệ giữa amoni/amoniac NH4+/NH3 phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của môi trường), nitrit, nitrat. Ngoài các dạng chính kể trên, N có thể tồn tại một số dạng khác như NO, N2O, N2 (tan) và trong một số chất rắn khác như trong cấu tạo tế bào của VSV, tảo, nhưng với nồng độ thấp.
Xử lý hợp chất N bằng phương pháp vi sinh bao gồm hai giai đoạn: oxy ôxy hóa amoni thành nitrit, nitrat (quá trình nitrat hóa - nitrification); và khử nitrit, nitrat về dạng khí nitơ (quá trình khử nitrat hóa - denitrification), tương ứng với hai quá trình hiếu khí và thiếu khí.
Quá trình oxy ôxy hóa amoni thành nitrit, nitrat được thực hiện do hai chủng vi sinh tự dưỡng Nitrosomonas, Nitrobacter dưới điều kiện có oxy ôxy hòa tan (oxy ôxy là tác nhân nhận điện tử). Các chủng vi sinh tự dưỡng này cần nguồn cacbon dạng vô cơ (HCO3-, CO32-...) làm nguồn cơ chất xây dựng tế bào và cần một lượng kiềm để trung hòa lượng proton (H+) sinh ra trong quá trình oxy ôxy hóa amoni. Lượng kiềm cần thiết cho phản ứng oxy ôxy hóa amoni là 7,14g kiềm/g amoni (tính theo CaCO3) (Metcalf và Eddy, 2003). Trong khi đó, quá trình khử nitrit, nitrat về dạng khí N được thực hiện do chủng vi sinh dị dưỡng dưới điều kiện không có mặt oxy ôxy hòa tan; lúc này nitrit, nitrat đóng vai trò là chất nhận điện tử. Ngoài ra, hệ cần được cung cấp đầy đủ nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài vào hay do phân huỷ nội sinh các tế bào sinh vật (đây là nguồn đóng vai trò cung cấp điện tử). Trong quá trình khử, một lượng kiềm sẽ được sinh ra và khoảng 3 - 4 g kiềm/g nitrat bị khử (tính theo CaCO3) (Metcalf và Eddy, 2003).
Trong bể hiếu khí, quá trình oxy ôxy hóa amoni với tác nhân oxy ôxy hóa là oxy ôxy phân tử còn có tên gọi là nitrat hóa, được hai loại VSV thực hiện kế tiếp nhau:
NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O (1.67) NO2- + 0,5 O2 → NO3- (1.78) NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2 H+ + H2O (1.89) Phản ứng tổng thể của quá trình oxy ôxy hóa amoni thành nitrat sẽ là:
1,02 NH4+ + 1,89 O2+ 2,02 HCO3- →
0,021 C5H7O2N + 1,06 H2O + 1,92 H2CO3 + 1,0 NO3- (1.910)
Phản ứng chuyển hoá NH4+ thành NO3- do VSV có một số nét đặc trưng sau:
- Hiệu suất tạo sinh khối thấp (0,17 g sinh khối /g NH4+ - N);
- Lượng oxy ôxy tiêu hao 4,3 g O2/g NH4+ - N;
- Lượng kiềm (HCO3-) tiêu hao 7,14 g CaCO3/g NH4+ - N.
30
Trong hai quá trình oxy ôxy hoá liên tiếp tạo thành NO2- và NO3-, phản ứng tạo thành NO2- có tốc độ chậm hơn nhiều so với quá trình sau, tức là oxy ôxy hoá NH4+ thành nitrat bị khống chế bởi giai đoạn đầu, trong trạng thái ổn định nồng độ của nitrit trong nước thấp (nhỏ hơn 0,1 mg/L).
Khác với loại chủng vi sinh xử lý cacbon hiếu khí (dị dưỡng), vi sinh xử lý amoni là loại tự dưỡng sử dụng cacbon từ nguồn vô cơ (bicacbonat) và có hiệu suất tạo sinh khối thấp, nhỏ hơn nhiều so với loại dị dưỡng. Trong môi trường giàu chất dinh dưỡng hai loại vi sinh dị dưỡng và tự dưỡng phát triển theo tỉ lệ phụ thuộc vào tỉ lệ BOD (C) và N (TKN). Khi hàm lượng cacbon hữu cơ lớn loại vi sinh dị dưỡng phát triển chiếm ưu thế về số lượng, khi hàm lượng nitơ tăng số lượng vi sinh tự dưỡng nitrifier (hai loại vi sinh tự dưỡng trên có tên chung là Nitrifier) phát triển theo.
Để duy trì tốc độ oxy hóa amoni cao, cần tăng cường nồng độ oxy ôxy trong nước để tăng động lực quá trình khuyếch tán, thường DO > 2 mg/L hoặc đồng thời duy trì thời gian lưu bùn dài, lượng oxy ôxy tiêu thụ trong các hạt keo tụ (nơi các phản ứng oxy ôxy hóa chất hữu cơ và amoni xảy ra, gồm cả loại vi sinh dị dưỡng và tự dưỡng) thấp và vì vậy nồng độ oxy ôxy trong đó khá cao.
Giai đoạn lọc màng: Sau khi qua giai đoạn xử lý sinh học, tiếp đến là giai đoạn lọc qua màng. Màng hoạt động nhờ vào áp lực hút do bơm tạo ra để đưa nước sạch qua màng và thải ra nguồn tiếp nhận. Sinh khối được giữ lại trong bể nhờ khả năng tách loại của màng lọc.
Ưu điểm và hạn chế của công nghệ MBR:
Ưu điểm: Hệ thống MBR có thiết kế nhỏ gọn hơn so với quá trình BHT thông thường, do không cần bể lắng cấp hai và sản phẩm bùn dư ít (Cicek và ncs, 1998; Đỗ Khắc Uẩn và Đặng Kim Chi, 2008). Tỷ lệ chuyển hóa bùn trong hệ thống MBR chỉ khoảng 0,1 – 0,4 mg VSS/mg COD (Trouve và ncs, 1994), trung bình chưa bằng một nửa so với công nghệ BHT thông thường (0,4 – 0,7 mg VSS/mg COD (Metcalf và Eddy, 2003)). Do mật độ sinh khối trong bể phản ứng cao (MBR có thể hoạt động ở MLSS lên đến 20.000 mg/L nên một mặt năng
suất xử lý tăng khoảng 5 - 7 lần so với BHT; mặt khác cho phép lưu bùn lâu và phân huỷ bùn ngay trong bể phản ứng dẫn đến giảm lượng và chi phí xử lý bùn thải .
Ngoài ra, với công nghệ MBR, màng lọc như một tấm rào cản cơ học đối với VSV nên có khả năng loại bỏ các vi khuẩn gây bệnh và không bị phụ thuộc vào chất lượng nước đầu vào. Hệ thống MBR có thể tách loại tổng coliform gần như tuyệt đối , do đó tiết kiệm được chi phí sử dụng hóa chất khử trùng, làm giảm chi phí vận hành hệ thống.
Hạn chế: Việc tách loại bằng màng cần thêm sự phối hợp hoạt động liên quan đến việc giảm thiểu tắc nghẽn màng nên vận hành phức tạp hơn so với quá trình BHT thông thường. Do vậy, không chỉ chi phí đầu tư cao mà còn tăng chi phí vận hành hệ thống do chi phí làm sạch màng (Đỗ Khắc Uẩn và ncs, 2015).
Mô hình lắp đặt công nghệ MBR:
Công nghệ MBR ngày càng được áp dụng rộng rãi trong XLNT (Trouve và ncs, 1994; Rosenberger và ncs, 2002; Uan và ncs, 2009). Hiện nay công nghệ MBR phổ biến được chia thành 2 mô hình tùy theo cách bố trí màng lọc trong hệ thống xử lý, đó là màng lọc bố trí bên ngoài và màng lọc ngập nước bên trong (màng đặt chìm) . Sơ đồ mô hình lắp đặt màng được thể hiện trên Hình 1.4.
32 Nước
thảiSục khí
Dòng hồi lưu
Modun màng lọc
Bể xử lý sinh học
Bùn dư Nước sau xử lý
Nước thải
Sục khí
Bùn dư Modun màng lọc
Nước sau xử lý
Bể xử lý sinh học
(a) (b)
Hình 1.4. Sơ đồ quy trình công nghệ MBR trong xử lý nước thải a - môđun màng lọc được bố trí bên ngoài;
b - môđun màng lọc được bố trí bên trong bể sinh học
Hệ thống MBR có màng đặt bên ngoài bể xử lý sinh học (Hình 1.4.a), hỗn hợp bùn – nước thải được bơm qua đơn nguyên màng lọc, một phần nước trong sẽ được đưa ra ngoài và một phần bùn sẽ tuần hoàn lại bể. Trong hệ thống MBR có màng lọc đặt bên trong bể xử lý sinh học (Hình 1.4.b), hệ thống phân phối khí được lắp đặt bên dưới màng lọc để cung cấp oxy ôxy cho quá trình xử lý sinh học và đảo trộn hỗn hợp nước thải để giảm hiện tượng tắc nghẽn màng. Hiện nay, mô hình MBR màng đặt bên trong bể sinh học thường phổ biến hơn do việc tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể so với kiểu màng đặt bên ngoài . So với kiểu màng đặt bên trong, kiểu màng đặt bên ngoài phải sử dụng thêm một bơm để tuần hoàn dòng thải, làm tăng chi phí đầu tư thiết bị. Hơn nữa, kiểu màng đặt bên ngoài hoạt động với năng suất lọc (50 – 150 L/m2.h) và áp suất qua màng dao động 1 – 4 bar, cao hơn rất nhiều so với kiểu màng đặt bên trong (10 – 50 L/m2.h) và áp suất qua màng khoảng 0,5 bar , nên quá trình tắc nghẽn của môđun màng đặt bên ngoài xảy ra nhanh hơn. Trong cấu hình màng đặt bên trong, kiểu môđun màng lọc sợi rỗng thường được sử dụng vì có ưu điểm nổi trội so với màng tấm phẳng, cụ thể: tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích màng sợi rỗng lớn hơn; ngoài ra, môđun màng sợi rỗng yêu cầu không gian lắp đặt tối thiểu; hơn nữa, màng sợi rỗng được thiết kế đặc biệt thích hợp để giảm thiểu sự tắc màng (Brannock và ncs, 2010).