Bài báo này trình bày về các đánh giá, lựa chọn bộ lọc màng sinh học lơ lửng (MBBR) kết hợp trong công nghệ AO xử lý nước thải sinh hoạt. Các đánh giá cũng bao gồm nghiên cứu hiệu quả xử lý BOD₅, COD, tổng ni tơ trong nước thải sinh hoạt được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. Từ đó, đánh giá và chọn ra được loại màng lọc sinh học lơ lửng có hiệu quả xử lý cao, đảm bảo ba chỉ tiêu nghiên cứu là BOD₅, COD, tổng ni tơ được giảm đạt mức cột A theo QCVN14:2008/BTNMT. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên pilot thí nghiệm được sử dụng để tính toán thiết kế, chế tạo thử nghiệm một thiết bị xử lý nước thải sinh hoạt nguyên khối công suất nhỏ 5m³/ngđ. Sau khi thực nghiệm xử lý nước thải sinh hoạt bằng thiết bị đã chế tạo, đo đạc đánh giá hiệu quả xử lý và đề xuất quy trình hướng dẫn vận hành đảm bảo xử lý các chỉ tiêu BOD₅, COD, tổng ni tơ đạt cột A theo QCVN14:2008/BTNMT. Thiết bị nguyên khối sử dụng MBBR xử lý nước thải sinh hoạt đảm bảo tính hiệu quả, kinh tế, gọn nhẹ, dễ dàng thi công lắp đặt, chuyển giao.

1. MỞ ĐẦU

MBBR là viết tắt của Moving Bed Biofilm Reactor được định nghĩa là bộ phản ứng sinh học bằng vi sinh dính bám trên lớp vật liệu mang di chuyển.

MBBR được phát triển ở Na uy từ những năm cuối của thập niên 80 và những năm đầu thập niên 90 khi vấn đề loại bỏ ni tơ và các chất dinh dưỡng trong nước thải ngày càng được chú trọng [4]. Công nghệ sử dụng MBBR là sự kết hợp của của 2 quá trình: bùn hoạt tính và lọc sinh học. MBBR có thể hoạt động như một quá trình độc lập hoặc có thể được sử dụng để tăng cường hoặc nâng cấp cho các trạm xử lý cũ bị hạn chế về diện tích cho việc mở rộng trong tương lai. Quá trình này trở nên phổ biến trong lĩnh vực xử lý nước thải vì nó tối đa hóa năng lực và hiệu quả của nhà máy xử lý trong khi giảm thiểu diện tích chiếm chỗ cho công trình. Nó có khả năng chịu được những biến động của nước thải đầu vào, có khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng cao hơn, tạo ra ít bùn hơn do sinh khối cao, giảm thiểu độ phức tạp của quá trình, dễ dàng bảo trì, tự điều tiết quá trình với biến động tải hữu cơ... Hệ thống MBBR chủ yếu dựa trên tốc độ sục khí và các phản ứng diễn ra trên bề mặt của giá thể được thiết kế đặc biệt để cung cấp một bề mặt lớn cho vi khuẩn sinh trưởng và phát triển trên đó. Khi các giá thể chuyển động liên tục trong bể bằng cách sục khí hoặc khuấy trộn, sinh khối phát triển như một màng sinh học trên bề mặt của các các giá thể [5]. MBBR là phương pháp hiệu quả để giữ lại các vi sinh vật phát triển chậm như Nitrifiers ở dạng biofilm. Hệ thống MBBR có thể hoạt động trong điều kiện hiếu khí để loại bỏ BOD và nitrat hóa hoặc dưới điều kiện thiếu khí cho khử nitơ.

2. NGHIÊN CỨU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Mô hình MBBR được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại số 216 Nguyễn Trãi-Nam Từ Liêm-Hà Nội. Thời gian nghiên cứu từ tháng 06/2017 đến tháng 09/2017.

a) Đối tượng nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt được thu thập từ cống thải tập trung của trụ sở số 2 Viện Khoa học an toàn và vệ sinh lao động.

Bảng 1. Nồng độ nước thải đưa vào bể MBBR

b) Mô hình nghiên cứu

Mô hình bể MBBR chế tạo gồm 3 ngăn: ngăn thiếu khí (DxRxC là 30x30x150cm), ngăn hiếu khí (DxRxC là 60x30x150cm), ngăn lắng (DxRxClà 30x30x150cm)

Nước thải từ bể chứa (1) được bơm số (6) bơm lên pilot thí nghiệm. Nước thải sau đó được dẫn vào bể thiếu khí (2) có gắn bộ phận khuấy trộn bằng cánh khuấy để duy trì hàm lượng oxy hòa tan và tạo điều kiện cho giá thể chuyển động trong bể. Nước thải sau khi được xử lý qua ngăn thiếu khí được dẫn vào bể hiếu khí (3). Tại bể hiếu khí có lắp đặt hệ thống phân phối khí và được thổi khí liên tục bằng máy thổi khí (9). Lưu lượng khí được điều chỉnh phù hợp bằng các van điều chỉnh lưu lượng (V4, V5) nhằm cung cấp oxy và giúp các giá thể chuyển động trong bể hiếu khí. Một phần nước thải phía cuối bể hiếu khí được bơm tuần hoàn (7) bơm về đầu ngăn thiếu khí với lưu lượng bằng với lưu lượng nước thải đầu vào. Nước thải sau khi được xử lý bằng bể hiếu khí được dẫn vào bể lắng (4). Bùn lắng được định kì xả bỏ theo quy định. Phần nước thải trong phía trên bể lắng được dẫn vào bể chứa nước sau xử lý (5).

c) Giá thể sinh học

Trong nghiên cứu này giá thể sử dụng đưa vào bể thiếu khí và hiếu khí là 2 loại:

2.2. Tiến hành thí nghiệm

Với mỗi loại giá thể sinh học sẽ tiến hành như sau:

- Bước 1: Vận hành thích nghi

Khi mới bắt đầu thí nghiệm, mô hình MBBR được vận hành tạm thời bằng nước thải sinh hoạt thu thập được và được sục khí nhằm tạo xáo trộn và cung cấp oxy cho sự phát triển của vi sinh vật. Sau khi vận hành một thời gian kiểm tra thấy lớp màng sinh học đã hình thành có màu nâu sậm và dùng tay sờ lên có cảm giác nhờn thì tiến hành chuyển sang chế độ chạy thí nghiệm.

- Bước 2: Vận hành thí nghiệm chính thức

Sau khi màng sinh học của mô hình đã ổn định bắt đầu tiến hành các thí nghiệm chính thức để đánh giá hiệu quả xử lý nước các chỉ tiêu ô nhiễm của nước thải sinh hoạt (NTSH) đối với các loại giá thể nêu trên.

Do chỉ chế tạo 1 mô hình bể MBBR nên sẽ tiến hành tuần tự với mỗi loại giá thể và mỗi loại thời gian lưu nước khác nhau. Mô hình được vận hành liên tục 24/24h. Nước thải trước và sau khi qua bể MBBR được thu thập đo đạc và phân tích các chỉ tiêu pH, DO, BOD₅, COD, tổng nitơ. So sánh kết quả ghi nhận được với giá trị ở cột A của QCVN14:2008/BTNMT.

Các yếu tố vận hành: Điều kiện thí nghiệm được kiểm soát gồm:

+ pH=7-8;

+ Nồng độ DO bể thiếu khí: 0,1-0,5mg/l;

+ Nồng độ DO bể hiếu khí: 2-2,5mg/l;

+ Nhiệt độ là nhiệt độ phòng theo điều kiện môi trường tự nhiên;

Nghiên cứu được chia thành 2 giai đoạn: thích nghi và vận hành thí nghiệm theo các thời gian lưu nước lần lượt là 4h và 2h cho mỗi bể.

Bảng 2. Các điều kiện vận hành của mô hình ở các thời gian lưu nước khác nhau

2.3. Kết quả

Bảng 3. Tổng hợp hiệu quả xử lý của các loại giá thể thí nghiệm theo phần trăm

3. NGHIÊN CỨU TRÊN THIẾT BỊ NGUYÊN KHỐI

3.1. Mô tả thiết bị nguyên khối

Thiết bị xử lý nước thải (XLNT) sinh hoạt công suất 5m³/ngđ được chế tạo với kích thước chiều dài x chiều rộng x chiều cao = 2800x1200x2000mm; gồm 5 ngăn: ngăn MBBR thiếu khí, ngăn MBBR hiếu khí số 1, ngăn MBBR hiếu khí số 2, ngăn lọc vật liệu nổi, ngăn khử trùng.

Thông số kỹ thuật của thiết bị như sau:

- Công suất xử lý: 5m³/ngđ.

- Loại giá thể sử dụng: MBC-2 ; mật độ giá thể: 20% thể tích mỗi ngăn thiếu khí, hiếu khí.

3.2. Sơ đồ thực nghiệm

Sơ đồ thực nghiệm trên thiết bị được thể hiện như hình dưới:

Mô tả quy trình xử lý nước thải: Nước thải sinh hoạt được thu thập từ sau các bể phốt trong khuôn viên trụ sở số 216 Nguyễn Trãi đưa về bể gom số (6). Từ đây, nước thải được bơm lên ngăn MBBR thiếu khí số (1) của thiết bị xử lý nước thải sinh hoạt nguyên khối công suất 5m³/ngđ đã chế tạo. Nước thải sau khi qua ngăn thiếu khí sẽ tự chảy qua ống thông nước sang ngăn hiếu khí số 1 (ngăn 2), tiếp tục chảy sang ngăn hiếu khí số 2 (ngăn 3). Nước thải sau đó được dẫn xuống phía đáy của ngăn lọc vật liệu nổi (4). Nước trong sau lọc bỏ xác vi sinh vật, cặn lơ lửng sẽ chảy sang ngăn khử trùng (5). Tại đây, nước thải được châm hóa chất Javen khử trùng loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh rồi được xả ra nguồn tiếp nhận. Chọn bổ sung nguồn các bon cho vi sinh vật thiếu khí khử nitrat bằng cách tuần hoàn hỗn hợp nước và bùn ở cuối ngăn hiếu khí số 2 về đầu ngăn thiếu khí với lưu lượng bằng lưu lượng dòng vào.

3.3. Tiến hành thực nghiệm

- Thiết bị xử lý nước thải nguyên khối được điều chỉnh vận hành ở chế độ thiết kế: Q=5m³/ngđ bằng các van điều chỉnh trên đường ống.

- Kiểm soát lưu lượng tuần hoàn hỗn hợp nước thải và bùn thải với lưu lượng tuần hoàn bằng lưu lượng đầu vào thiết bị, Q_th = 5m³/ngđ;

- Kiểm soát DO trong ngăn hiếu khí bằng cách điều chỉnh các van khí trên đường ống cấp khí tới các đĩa khí sao cho DO trong các ngăn hiếu khí 1 và 2 luôn ở trong khoảng 2,5-3,5mg/l;

- Trình tự tiến hành thực nghiệm:

+ Thực hiện chạy ổn định căn chỉnh thủy lực cho thiết bị trong vòng 5 ngày liên tục, kiểm tra hiệu chỉnh để thiết bị hoạt động ổn định ở các thông số như trên;

+ Thực hiện chạy thích nghi để giá thể MBBR thích nghi được với nước thải đầu vào liên tục trong vòng 45 ngày. Sau thời gian thích nghi bắt đầu thực hiện lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu và đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị đã chế tạo.

3.4. Kết quả

Kết quả thực nghiệm trên thiết bị xử lý nước thải nguyên khối công suất 5m³/ngđ sử dụng công nghệ AO-MBBR với giá thể MBC-2 như sau:

Nhận xét:

Thiết bị xử lý nước thải sinh hoạt nguyên khối công nghệ AO-MBBR với giá thể MBC-2 đã chế tạo qua quá trình thực nghiệm cho hiệu quả xử lý cao và ổn định ở cả 3 chỉ tiêu COD, BOD₅, tổng ni tơ. Nước thải sau khi được xử lý bằng thiết bị đã chế tạo đều đạt yêu cầu xả thải loại A theo QCVN14:2008/BTNMT về ba chỉ tiêu nói trên.

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy:

Để xử lý nước thải sinh hoạt, công nghệ AO-MBBR cho hiệu quả cao và ổn định, việc lựa chọn sử dụng công nghệ này là hoàn toàn hợp lý.

Thiết bị xử lý nước thải sinh hoạt nguyên khối công nghệ AO-MBBR đã chế tạo qua thực nghiệm cho hiệu quả xử lý cao. Nước thải đầu ra đạt cột A theo QCVN14:2008/BTNMT ở tất cả các chỉ tiêu COD, BOD₅, tổng ni tơ.

Cần tiếp tục nghiên cứu định hình để đưa vào chế tạo sản xuất thiết bị xử lý nước thải nguyên khối công nghệ AO-MBBR hàng loạt cho các cấp công suất điển hình để sẵn sàng đáp ứng các quy mô công suất theo nhu cầu xử lý.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Đức Hạ (2002), "Xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ và vừa", NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.

[2]. Trần Đức Hạ (2006), "Xử lý nước thải đô thị", Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[3]. Metcaly & Eddy (2003) – "Waste water Enginneerning Treatment and Reuse, 4th Edittion", Mc Graw Hill.

[4]. H. Ødegaard (1999), "The moving Bed Biofilm Reactor", Water Environmental Engineering and Reuse of Water, Hokkaido Press, p.250-305.

[5]. Kermani, M., Bina, B., Movahedian, H., Amin, M.M. and Nikaein, M. (2008), "Application of moving bed biofilm process for biological organics and nutrients removal from municipal wastewater". American Journal of Environmental Sciences, 4 (6), 675-682.

[6]. Bjorn Rusten, Bjørnar Eikebrokk, Yngve Ulgenes, Eivind Lygren (2005), "Design and operations of the Kaldnes moving bed biofilm reactors"

[7]. Ødegaard, H., Rusten, B., Siljudalen, J., (1999), "The development of the moving bed biofilm process—from idea to commercial product", Eur. Water Manage. 2 (3), 36–43.

[8]. Nguyễn Hoàng Như (2012), Luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MBBR để xử lý nước thải sản xuất bia”, Trường ĐH Bách Khoa- ĐH Quốc Gia Hồ Chí Minh.

[9]. Nguyễn Trung Hiếu (2011), Luận văn Thạc sỹ “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao trong ngành công nghiệp thực phẩm, nước giải khát ứng dụng với quy mô nhỏ”, Trường ĐH Xây Dựng.

[10]. Lê Đức Anh, Lê Thị Minh, Đào Vĩnh Lộc (2012), "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ moving bed biofilm reactor (MBBR) xử lý nước thải sinh hoạt", Trường Đại học Yersin Đà Lạt.

ThS. Nguyễn Thị Mai

Viện Khoa học An toàn và Vệ sinh lao động