Quá trình bùn hoạt tính là công nghệ xử lý nước thải sinh học được sử dụng rộng rãi nhất. Trong hệ thống bùn hoạt tính, các vi sinh vật làm sạch nước thải ở trạng thái tăng trưởng lơ lửng-chúng tập hợp lại thành nhóm nhỏ, tạo thành các bông cặn và lơ lửng trong dung dịch hỗn hợp khi được sục khí, khuấy trộn theo dòng nước. Các vi sinh vật và nước thải tiếp xúc hoàn toàn, loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước.
Hệ thống này hoạt động rất tốt, nhưng nó có một nhược điểm: nó rất tinh vi. Nếu lượng nước thải đầu vào tăng đột ngột, nồng độ tăng đột ngột hoặc nhiệt độ nước giảm đột ngột hoặc độ pH dao động mạnh, vi sinh vật có thể "kích động"-hiệu quả xử lý sẽ giảm hoặc thậm chí xảy ra hiện tượng đóng cặn bùn, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống.
Vì vậy, các kỹ sư băn khoăn liệu họ có thể thay đổi cách tiếp cận, cho phép các vi sinh vật “định cư” ở một vị trí cố định, thay vì liên tục trôi nổi trong nước hay không?
Đây là quá trình màng sinh học. Nói một cách đơn giản, quy trình màng sinh học sử dụng các vi sinh vật phát triển trên vật liệu lọc hoặc chất mang để xử lý nước thải.
Ý tưởng cốt lõi của công nghệ màng sinh học rất đơn giản: cung cấp cho vi sinh vật những “ngôi nhà” cố định nơi chúng có thể định cư, sinh sản và hình thành một “cộng đồng vi sinh vật”. Nước thải chảy qua cộng đồng này và các chất ô nhiễm bên trong được "cư dân" tiêu thụ.
Những "ngôi nhà" này được gọi một cách chuyên nghiệp là vật liệu đóng gói hoặc vật liệu vận chuyển. Các quy trình màng sinh học khác nhau sử dụng các chất mang hoàn toàn khác nhau. Các loại phổ biến nhất là:
Loại thứ nhất: Vật liệu đóng gói trong quá trình oxy hóa tiếp xúc sinh học – “quả bóng sợi nhựa” treo trong bể
Bể oxy hóa tiếp xúc chứa đầy các dây vật liệu đóng gói, giống như những chiếc bàn chải nhựa lớn. Nước thải được sục khí từ đáy bể và phun lên trên, khiến các vật liệu đóng gói này lắc lư nhẹ nhàng trong nước, được bao phủ bởi một lớp màng sinh học màu nâu vàng. Loại vật liệu đóng gói này có diện tích bề mặt riêng lớn; 1 mét khối có thể cung cấp 800 đến 900 mét vuông “không gian sống”.
Loại thứ hai: Đĩa trong đĩa quay sinh học – “đĩa quay”
Đĩa quay sinh học không sử dụng vật liệu đóng gói; "Ngôi nhà" của chúng chính là những chiếc đĩa - hàng chục chiếc đĩa lớn, đường kính từ 2 đến 3 mét, được xâu chuỗi lại với nhau trên một trục quay và quay chậm bằng một động cơ với tốc độ giảm dần. Loại đầu tiên bao gồm đĩa lọc sinh học, một nửa chìm trong nước thải và một nửa tiếp xúc với không khí. Vi sinh vật phát triển ở cả hai mặt của đĩa, hấp thụ các chất ô nhiễm khi ngập nước và hấp thụ oxy từ không khí khi lộ ra bề mặt. Thiết kế này có mức tiêu thụ năng lượng tương đối thấp, không cần sục khí bổ sung và vận hành tiết kiệm.
Loại thứ ba: Vật liệu đóng gói cho bộ lọc sục khí sinh học (BAF) – “giường lọc làm từ những viên sỏi gốm nhỏ”
BAF sử dụng những viên sỏi gốm nhỏ có đường kính từ 3 đến 6 mm, xếp chồng lên nhau như những viên sỏi nhỏ trong bể. Nước thải chảy từ dưới lên trên, trong khi quá trình sục khí diễn ra đồng thời từ dưới lên. Thiết kế hạt nhỏ này có hai ưu điểm: thứ nhất, diện tích bề mặt riêng lớn, dẫn đến sinh khối cao trên một đơn vị thể tích; thứ hai, khoảng trống giữa các hạt giữ lại chất rắn lơ lửng, làm cho nước thải BAF đặc biệt trong.
Loại thứ tư: Vật liệu đóng gói cho bộ lọc sinh học (MBBR) – “tấm nhựa nhỏ nhào lộn trong nước”
MBBR sử dụng các tấm nhựa nhỏ lơ lửng, có hình dạng như bánh xe hoặc hình trụ nhỏ, có mật độ nhẹ hơn nước một chút. Trong điều kiện sục khí, các vật liệu đóng gói này liên tục chuyển động và chảy trong bể, cho phép màng sinh học tiếp xúc với nước thải khi chúng di chuyển. Vật liệu đóng gói chuyển động liên tục; màng sinh học lão hóa bị loại bỏ và màng sinh học mới liên tục phát triển, loại bỏ nhu cầu rửa ngược thủ công. Nó có khả năng tự làm sạch-mạnh mẽ và không làm tắc bình chứa.
Loại thứ năm: Vật mang tầng sôi sinh học – “hạt li ti nhào lộn như cháo”
Tầng sôi sinh học thậm chí còn sử dụng các chất mang nhỏ hơn, thường là cát 0,3 đến 1 mm, than hoạt tính hoặc hạt than cốc. Được thúc đẩy bởi luồng-nước hoặc không khí tốc độ cao, những hạt nhỏ này liên tục nhào lộn và hóa lỏng như cháo. Do chất mang cực kỳ nhỏ nên mỗi mét khối chất mang có thể cung cấp 2000 đến 3000 mét vuông không gian sống, dẫn đến nồng độ vi sinh vật và tốc độ tải thể tích cao nhất trong số tất cả các quy trình màng sinh học. Nó tự hào có hiệu quả xử lý cực kỳ cao và chiếm diện tích rất nhỏ, nhưng thiết kế và vận hành của nó cũng tương đối phức tạp.
Mỗi loại "ngôi nhà" khác nhau này đều có những kịch bản áp dụng riêng. Quá trình oxy hóa tiếp xúc phù hợp với việc xử lý nước thải có kích thước-nhỏ và vừa, MBBR phù hợp cho việc trang bị thêm và mở rộng, BAF phù hợp cho việc xử lý nâng cao, đĩa quay sinh học phù hợp với các kịch bản tiết kiệm-khối lượng, năng lượng-nhỏ và tầng sôi sinh học phù hợp với nước thải công nghiệp có nồng độ-cao hoặc các kịch bản có không gian hạn chế.
1. Màng sinh học “phát triển” như thế nào?
Khi vật liệu đóng gói được đưa vào nước thải và nước thải tiếp tục chảy qua nó, quá trình này bắt đầu.
Bước 1: Vi sinh vật đi qua và định cư
Nước thải chứa một lượng lớn vi sinh vật. Khi chúng chảy qua bề mặt vật liệu đóng gói, một số sẽ bị kẹt lại. Sự gắn kết ban đầu này phụ thuộc vào tương tác tĩnh điện và lực van der Waals.
Bước 2: Từ giải quyết tạm thời đến giải quyết dài hạn-
Các vi sinh vật bị mắc kẹt bắt đầu tiết ra một chất dính gọi là chất đa bào ngoại bào (API). Chất này có tác dụng giống như keo, cố định chắc chắn các vi sinh vật lên bề mặt vật liệu nhồi, tạo thành “khung kiến trúc” của màng sinh học.
Bước 3: Định cư và lan truyền sự sinh sôi nảy nở
Sau khi định cư, vi sinh vật bắt đầu phát triển và sinh sản. Một thành hai, hai thành bốn… Chẳng bao lâu, một lớp màng vi sinh mỏng bao phủ bề mặt vật liệu đóng gói. Đây là màng sinh học.
Bước 4: Hình thành một cộng đồng trưởng thành
Theo thời gian, màng sinh học trở nên dày hơn và các “cư dân” bên trong nó trở nên đa dạng hơn. Không chỉ vi khuẩn mà còn xuất hiện cả nấm, động vật nguyên sinh, động vật metazoa. Trong số đó, một chuỗi thức ăn được hình thành: vi khuẩn ăn chất ô nhiễm, động vật nguyên sinh ăn vi khuẩn và động vật đa bào ăn động vật nguyên sinh. Do đó, một hệ sinh thái nhỏ hoàn chỉnh được thiết lập.
Quá trình này được gọi một cách chuyên nghiệp là hình thành màng sinh học. Đối với nước thải đô thị điển hình, ở nhiệt độ thích hợp, quá trình hình thành màng sinh học có thể hoàn tất trong khoảng 7 đến 20 ngày.
2. Cấu trúc màng sinh học
Mặc dù màng sinh học chỉ là một màng mỏng nhưng cấu trúc bên trong của nó khá nhiều lớp. Tùy thuộc vào chất lượng nước thải và điều kiện cung cấp oxy, không phải lúc nào nó cũng có thể tạo thành ba lớp hoàn chỉnh; trong một số trường hợp, chỉ có thể hình thành lớp hiếu khí và kỵ khí.
Lớp gần vật liệu đóng gói nhất là lớp kỵ khí. Lớp này nằm xa nước thải nhất, khiến oxy khó khuếch tán vào. Nó chủ yếu là nơi sinh sống của vi khuẩn kỵ khí. Chúng không cần oxy, lấy năng lượng bằng cách phân hủy các chất hữu cơ phức tạp, nhưng hiệu quả phân hủy của chúng tương đối thấp.
Lớp gần nước thải nhất là lớp hiếu khí. Lớp này có lượng oxy tương đối dồi dào và là nơi sinh sống của vi khuẩn hiếu khí, là “động lực chính” trong quá trình này; quá trình phân hủy chất hữu cơ chủ yếu diễn ra ở đây.
Nếu nước thải cần khử nitrat, lớp anoxic sẽ hình thành ở giữa, nơi vi khuẩn tùy ý có thể thực hiện khử nitrat, chuyển nitrat thành khí nitơ. Chính nhờ cấu trúc phân lớp này mà màng sinh học có thể đồng thời hoàn thành các phản ứng hiếu khí và kỵ khí trong cùng một lớp-điều khó đạt được trong các quy trình bùn hoạt tính tăng trưởng lơ lửng.
3. Đổi mới màng sinh học
Màng sinh học không phát triển vô thời hạn. Khi đạt đến độ dày nhất định, chúng sẽ bong ra và thay mới. Nguyên nhân chính là do lớp kỵ khí bên trong ngày càng dày. Khi lớp kỵ khí đạt đến một độ dày nhất định, các vi sinh vật ở gần bề mặt chất mang, thiếu chất hữu cơ để nuôi dưỡng, bước vào giai đoạn hô hấp nội sinh, làm suy yếu khả năng bám vào chất mang. Dưới lực cắt của dòng nước bên ngoài, màng sinh học lão hóa sẽ bong ra từng mảng. Màng sinh học tách ra sẽ chảy ra theo dòng nước và các vi sinh vật mới ngay lập tức bám vào các vị trí tách ra. Bằng cách này, màng sinh học cũ tách ra và màng sinh học mới phát triển, duy trì hoạt động màng sinh học ở mức độ cao.
Cơ chế này dẫn đến tốc độ tạo bùn thấp hơn đáng kể so với quá trình bùn hoạt tính. Mặc dù việc loại bỏ bùn định kỳ vẫn cần thiết nhưng nó giúp loại bỏ nhu cầu kiểm soát thường xuyên và chính xác theo yêu cầu của quy trình bùn hoạt tính, đơn giản hóa đáng kể hoạt động và quản lý.
4. So sánh quá trình bùn hoạt tính và màng sinh học
Trong bùn hoạt tính, vi sinh vật lơ lửng trong dung dịch hỗn hợp, trong khi ở màng sinh học, vi sinh vật được cố định trên vật liệu đóng gói. Về khả năng chống sốc, quá trình bùn hoạt tính nhìn chung kém hiệu quả, chất lượng và số lượng nước biến động dễ dẫn đến giảm hiệu quả xử lý; quá trình màng sinh học mạnh mẽ hơn và mạnh mẽ hơn.
Xét về khả năng thích ứng với nước thải có nồng độ-thấp, các vi sinh vật trong bùn hoạt tính dễ bị thiếu dinh dưỡng, dẫn đến hoạt động giảm; quá trình màng sinh học duy trì hoạt động cao ngay cả với nồng độ ảnh hưởng rất thấp.
Liên quan đến quá trình tạo bùn, quá trình bùn hoạt tính có xu hướng tạo thành bùn; quá trình màng sinh học thì không, vì các vi sinh vật bị cố định.
Xét về sinh khối trên một đơn vị thể tích, quy trình bùn hoạt tính thường tạo ra 2 đến 4 gam mỗi lít, trong khi quy trình màng sinh học có thể đạt 10 đến 20 gam mỗi lít, cao hơn từ 3 đến 5 lần.
Trong quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời, quá trình bùn hoạt tính đòi hỏi phải tuần hoàn giữa các bể khác nhau; Quá trình tạo màng sinh học, do cấu trúc phân tầng của nó, có thể đạt được điều này trong cùng một bể.
Làm thế nào để lựa chọn? Nói một cách đơn giản: đối với khối lượng lớn nước thải đô thị ổn định, quy trình bùn hoạt tính là một công nghệ hoàn thiện; đối với nước thải có sự biến động lớn về khối lượng và chất lượng, nồng độ thấp hoặc cần khử nitrat đồng thời thì quá trình màng sinh học sẽ có lợi hơn.
5. Các quy trình chính của quy trình màng sinh học
Các quy trình chính bao gồm: quá trình oxy hóa tiếp xúc sinh học, MBBR, bộ lọc sinh học sục khí (BAF), đĩa quay sinh học, tầng sôi sinh học và các bộ lọc sinh học truyền thống (thông thường,{0}}tải trọng cao, loại tháp). Mặc dù các quy trình này khác nhau về hình thức nhưng nguyên tắc cốt lõi của chúng là giống nhau-cho phép vi sinh vật bám vào chất mang để tạo thành màng sinh học, sử dụng màng này để lọc nước thải.
Sự khác biệt chính gồm hai phần: thứ nhất, loại đĩa cố định "nhà"{0}}, vật liệu đóng gói làm đầy bình chứa, các hạt gốm nhỏ xếp chồng lên nhau thành lớp lọc, các tấm nhựa nhỏ lộn xộn hoặc các vi hạt hóa lỏng; thứ hai, cách cung cấp oxy-thông gió tự nhiên, quay đĩa hoặc sục khí nhân tạo.
Quá trình màng sinh học liên quan đến việc xây dựng môi trường sống cho vi sinh vật, cho phép chúng định cư và giúp xử lý nước thải.
Sau khi vi sinh vật di chuyển vào "nhà" của chúng, chúng tiết ra một chất dính để tự bám, phát triển và sinh sản, tạo thành màng sinh học có cấu trúc-lớp hiếu khí bên ngoài chịu trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ và lớp kỵ khí bên trong chịu trách nhiệm phân hủy thêm (lớp thiếu khí có thể hình thành ở giữa, tùy thuộc vào chất lượng nước). Nước thải chảy qua, các chất ô nhiễm được hấp thụ dần theo từng lớp. Khi màng sinh học phát triển đến một độ dày nhất định, các lớp cũ sẽ tách ra và các lớp mới tiếp tục phát triển. Không cần phải lo lắng về việc tạo bùn hoặc điều chỉnh xả bùn thường xuyên, giúp việc vận hành và quản lý trở nên dễ dàng hơn nhiều!