Kỹ thuật màng vi sinh vật dính bám và màng vi sinh chuyển động trên đĩa quay sinh học D-VIC

Viện khoa học kỹ thuật hạ tầng và môi trường (SIIEE) đã nghiên cứu cải tiến và chế tạo thành công đĩa quay sinh học D-VIC với nhiều ưu điểm vượt trội. Cơ chế xử lý nước thải của D-VIC là sử dụng màng vi sinh vật dính bám kết hợp với quá trình màng vi sinh chuyển động (MBBR). Đĩa quay sinh học D-VIC chỉ sử dụng một động cơ duy nhất, không dùng máy cấp khí, không bơm tuần hoàn bùn. D-VIC tiết kiệm 60% năng lượng so với công nghệ truyền thống. Đặc biệt là SIIEE đã nghiên cứu chế tạo đĩa quay có diện tích tiếp xúc lớn gấp 2÷3 lần các loại đĩa thông thường (300÷350 m2/m3), lắp đặt vận hành đơn giản và được làm từ các nguyên liệu sẵn có trong nước nên chi phí chế tạo đĩa thấp mà chất lượng tương đương các loại đĩa nhập ngoại. D-VIC áp dụng để xử lý nước thải với hàm lượng BOD5 từ 300÷400 mg/l, Amoni (NH4+-N) từ 30÷40 mg/l với tỉ lệ khử BOD5 đạt 85÷95%, khử nitơ từ 80÷90%, thời gian lưu nước 2÷4 h.

1. Đặt vấn đề

Đĩa quay sinh học (Rotating Biological Contactor – RBC) là công nghệ xử lý nước thải sử dụng màng sinh học dính bám có hiệu quả xử lý tương đối cao, cấu tạo đơn giản đã được áp dụng trên thế giới từ những năm 1960. Ở Việt Nam, công nghệ đĩa quay sinh học vẫn còn khá mới mẻ và được sử dụng rất hạn chế. Nguyên nhân là do đĩa quay sinh học còn nhiều nhược điểm như: diện tích tiếp xúc của đĩa thấp, kích thước lớn, màng sinh vật dễ bong tróc, trọng lượng lớn, hiệu quả xử lý amoni thấp và chi phí cao do phải nhập ngoại các loại đĩa từ nước ngoài.

Để khắc phục những nhược điểm trên, SIIEE đã nghiên cứu và cải tiến RBC tiết kiệm năng lượng, hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của đĩa quay sinh học D-VIC

Đĩa quay sinh học cải tiến (D-VIC) do SIIEE nghiên cứu và phát triển được chế tạo bằng thép sơn phủ chống ăn mòn. Hệ thống đĩa quay sinh học cấu tạo gồm các đĩa hình tròn (trên đó gắn nhiều khối cầu mang vi sinh) ghép lại với nhau thành khối lắp trên cùng một trục quay. Hệ thống đĩa quay đặt ngập trong nước khoảng 40% và quay chậm khi làm việc. Hệ truyền động của đĩa gồm động cơ và dây xích được thiết kế có khả năng thay đổi tốc độ để cải thiện khả năng trao đổi oxy, tăng cường tiếp xúc giữa màng sinh học và nước thải. D-VIC được phủ bằng mái che để bảo vệ khỏi ánh nắng, gió, mưa và nhiệt độ bởi vì hoạt động của vi sinh vật sẽ giảm đáng kể khi nhiệt độ của nước thải dưới 12oC.

Ghi chú:
1 – Ống dẫn nước vào    
2 – Đĩa sinh học
3 – Ống dẫn nước ra
4 – Cửa thông khí
5 – Động cơ điện

Đĩa quay sinh học D-VIC làm sạch nước thải sử dụng màng vi sinh vật dính bám kết hợp với quá trình màng vi sinh chuyển động MBBR. Quá trình xử lý của hệ thống gồm 2 pha: pha tiếp xúc nước thải và pha lấy khí. Khi đĩa quay ngập trong nước, các đệm này được chuyển động do chuyển động của dòng nước và đĩa. Các vi sinh vật có khả năng phân giải chất hữu cơ trong nước thải bám dính và phát triển trên bề mặt các đệm. Các vi sinh vật hiếu khí sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải để phát triển thành sinh khối vi sinh vật.

Quần xã vi sinh vật sẽ phát triển và dày lên rất nhanh cùng với sự suy giảm các chất ô nhiễm trong nước thải. Khi đạt đến một độ dày nhất định, khả năng bám dính của vi sinh vật ở lớp bên trong sẽ giảm đi cho đến khí chúng không bám được lên bề mặt giá thể nữa mà bong ra rơi vào trong nước thải. Một lượng nhỏ vi sinh vật còn sót lại bám trên các giá thể sẽ tiếp tục sử dụng chất hữu cơ có trong nước thải để hình thành nên một quần xã sinh vật mới bám dính trên giá thể. Khi phần đĩa ngập nước chuyển động lên phía trên (pha lấy khí) vi khuẩn ở trong màng sinh học sẽ lấy oxy trong không khí để oxy hóa chất hữu cơ và amoni (vừa lấy ở pha tiếp xúc) theo phương trình (1), (2):

Theo thời gian, lớp màng sinh học ngày càng dày lên và phân thành 2 lớp hiếu khí và kị khí rõ rệt (hình 3).

Tại lớp hiếu khí xảy ra quá trình oxy hóa chất hữu cơ và nitrat hóa nhờ vi khuẩn dị dưỡng. Ở lớp trong cùng và sâu bên trong vật liệu mang vi sinh DHY-01, lượng O2 trong không khí xâm nhập được vào đây rất ít nên vi khuẩn kị khí phát triển mạnh. Một vài vi khuẩn kị khí chính như: Pseudomonas, Flavobacterium và Bacillus… sử dụng chất nền hữu cơ chuyển hóa Nitrat (sinh ra ở phương trình 2) thành N2, CO2… Quá trình trình khử Nitrat xảy ra theo phương trình (3):

Sau một thời gian hoạt động, lớp màng sinh học dày lên đến giới hạn rồi bị tách ra khỏi đĩa (do chuyển động quay kết hợp với trọng lực của lớp màng) và theo nước thải đi sang bể lọc vật liệu nổi. Chiều dày lớp màng sinh học từ 1 ÷ 2 mm phụ thuộc vào vận tốc quay của đĩa. Thời gian lưu nước hiệu quả trong bể D-VIC từ 1,5 ÷ 2 giờ khi dùng để oxy hóa hợp chất hữu cơ, khi oxy hóa chất hữu cơ kết hợp với quá trình xử lý các hợp chất nito thời gian lưu nước từ 2 ÷ 4 giờ tùy thuộc vào nồng độ chất thải đầu vào.

Ưu điểm của đĩa quay sinh học D-VIC

– Diện tích tiếp xúc lớn, thời gian lưu nước ngắn, diện tích mặt bằng nhỏ, chi phí thấp.
– Bùn dễ lắng, lượng bùn sinh ra chỉ bằng 50% so với phương pháp xử lý truyền thống.
– Không cần máy nén khí, bơm tuần hoàn bùn. Chỉ sử dụng một động cơ duy nhất nên tiết kiệm 60% năng lượng so với phương pháp truyền thống.
– Độ ồn thấp, không sinh mùi, tính thẩm mĩ cao, được thiết kế thành mô đun nên dễ dàng di chuyển, tăng công suất.
– Lắp đặt, vận hành đơn giản không cần nhân công có trình độ chuyên môn cao.
– Hệ thống hoạt động ổn định, có khả năng chống “sốc” khi thay đổi lưu lượng và chất lượng nước đầu vào.

3. Nghiên cứu thực nghiệm.

Chạy thử Pilot D-VIC tại Xưởng chế tạo tại Hoài Đức với công suất Q = 5m3/h. Thông số chất lượng nước đầu vào được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1: Chất lượng nước đầu vào

4. Kết quả và thảo luận

Sau 9 ngày khi D-VIC hoạt động ổn định, tiến hành lấy mẫu thí nghiệm nước trước và sau bể.

Bảng 2: Kết quả chạy thử nghiệm

Theo những kết quả nghiên cứu thực nghiệm ta lập được biểu đồ sau:

Theo biểu đồ 4 và biểu đồ 5 nhận thấy hiệu quả xử lý của bể phụ thuộc vào hàm lượng BOD5 và NH4+ – N trong chất lượng nước đầu vào. Với hàm lượng BOD5 ≤ 400 mg/l; NH4+ – N ≤ 40 mg/l, chất lượng nước sau D-VIC đạt tiêu chuẩn QCVN 14:2008 – cột A.

5. Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm hệ thống D-VIC hoạt động tốt và ổn định với hàm lượng BOD5 ≤ 400 mg/l; NH4+ – N ≤ 40 mg/l. Hiệu quả xử lý BOD5 đạt 85÷95%, và NH4+- N đạt 80÷90%, chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn cột A, QCVN 14:2008/BTNMT.

6. Các tài liệu tham khảo

1. Hệ thống tổ hợp tương hỗ trong kỹ thuật xử lý nước thải, Lê Văn Cát & Trịnh Xuân Đức, 2014
2. Xử lý nước thải đô thị, Trần Đức Hạ, 2006
3. Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, PGS.TS Lương Đức Phẩm
4. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008-BTNMT
5. Wastewater Engineering Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy, Inc
6. Standard Methods for the examination of wayer and wastewater, APHA
7. The Handbook of environmental chemistry (Episode 1-4), Hutzinger
8. Foundation of Biochemistry, Mathews van Holde
9. Principles of Biochemistry 2nd Prentice, Robert H.H

Ts. Trịnh Xuân Đức
Ths. Lê Anh Tuấn
Ks. Nguyễn Việt Hưng

Viện SIIEE nghiên cứu và phát triển