Xử lý nước thải bằng giá thể sinh học cố định là một trong những phương pháp xử lý sinh học được sử dụng trong nhiều hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, nhà hàng, khách sạn, cơ sở sản xuất và các công trình có yêu cầu xử lý chất hữu cơ, amoni. Phương pháp này dựa trên nguyên lý sử dụng các giá thể được cố định trong bể sinh học để tạo bề mặt cho vi sinh vật bám dính, phát triển và hình thành màng sinh học.
So với phương pháp bùn hoạt tính truyền thống, công nghệ sử dụng giá thể sinh học cố định có thể tạo ra mật độ vi sinh cao hơn trong cùng một thể tích bể. Khi được thiết kế và vận hành đúng, hệ thống có khả năng duy trì quá trình xử lý ổn định ngay cả khi tải lượng nước thải thay đổi.
Đối với các hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa, giá thể sinh học cố định còn có ưu điểm là kết cấu tương đối đơn giản, dễ kết hợp với các công nghệ như thiếu khí – hiếu khí và thuận tiện cho việc cải tạo, nâng cấp hệ thống hiện hữu.
Giá thể sinh học cố định trong hệ thống xử lý nước thải là gì?
Giá thể sinh học cố định là vật liệu được bố trí cố định trong bể xử lý sinh học nhằm tạo diện tích bề mặt cho vi sinh vật bám vào và phát triển. Khác với giá thể lơ lửng trong công nghệ MBBR, giá thể cố định không cần được duy trì trạng thái chuyển động liên tục trong toàn bộ thể tích bể.
Khi nước thải đi qua khu vực chứa giá thể, các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng hòa tan tiếp xúc với lớp màng vi sinh đang phát triển trên bề mặt giá thể. Vi sinh vật sử dụng các chất này làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng, từ đó làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước.
Trong điều kiện hiếu khí, vi sinh vật sử dụng oxy để phân hủy các hợp chất hữu cơ và thực hiện quá trình oxy hóa amoni. Trong điều kiện thiếu khí, nhóm vi sinh vật khử nitrat có thể sử dụng nguồn carbon thích hợp để chuyển nitrat thành khí nitơ và giải phóng ra khỏi nước.
Do đó, giá thể sinh học cố định có thể được áp dụng trong các hệ thống xử lý kết hợp nhiều quá trình khác nhau tùy theo đặc tính nước thải và yêu cầu đầu ra.
Nguyên lý xử lý nước thải bằng giá thể sinh học cố định
Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là tạo ra một bề mặt thích hợp để vi sinh vật bám dính.
Sau một thời gian vận hành, trên bề mặt giá thể sẽ hình thành lớp màng sinh học. Lớp màng này có thể bao gồm nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau, phân bố theo điều kiện oxy và nguồn cơ chất tại từng vị trí.
Ở lớp ngoài của màng sinh học, nơi tiếp xúc nhiều với nước và oxy, các vi sinh vật hiếu khí phát triển mạnh. Khi đi sâu vào bên trong màng, lượng oxy giảm dần và có thể hình thành các vùng thiếu khí hoặc gần kỵ khí.
Cấu trúc này tạo điều kiện để nhiều quá trình sinh học diễn ra đồng thời trong cùng một bể.
Quá trình xử lý thường bao gồm:
- Phân hủy chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
- Chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ.
- Oxy hóa amoni thành nitrit và nitrat trong vùng hiếu khí.
- Khử nitrat trong vùng thiếu khí khi có đủ nguồn carbon.
- Giảm tải lượng chất hữu cơ trước các công đoạn xử lý tiếp theo.
Hiệu quả thực tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải lượng BOD, COD, nồng độ amoni, thời gian lưu nước, lượng oxy, diện tích bề mặt giá thể, nhiệt độ, pH và điều kiện vận hành.
Các loại giá thể sinh học cố định thường sử dụng
Giá thể sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải có nhiều dạng khác nhau. Việc lựa chọn không nên chỉ dựa vào diện tích bề mặt mà cần xem xét cả khả năng giữ màng vi sinh, độ bền vật liệu, khả năng vệ sinh và điều kiện vận hành thực tế.
Một số dạng phổ biến gồm:
Giá thể dạng tấm
Giá thể dạng tấm được bố trí thành các cụm hoặc module trong bể. Các tấm được cố định trên khung để tạo nhiều bề mặt cho vi sinh vật phát triển.
Ưu điểm của dạng này là có thể bố trí theo module và thuận tiện khi cần kiểm tra hoặc thay thế. Đây cũng là dạng có thể áp dụng trong các hệ thống cải tạo bể sinh học hiện hữu.
Giá thể dạng sợi
Giá thể dạng sợi tạo ra nhiều bề mặt tiếp xúc cho vi sinh vật bám dính. Các bó sợi thường được cố định vào khung hoặc hệ thống giá đỡ trong bể.
Khi thiết kế cần chú ý khoảng cách giữa các cụm giá thể để tránh hiện tượng bám dính quá dày, gây cản trở dòng chảy hoặc làm giảm khả năng tiếp xúc giữa nước thải và oxy.
Giá thể dạng tổ ong
Giá thể dạng tổ ong có cấu trúc nhiều kênh nhỏ nhằm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc. Loại này có thể tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển và được sử dụng trong một số bể sinh học có yêu cầu mật độ giá thể cao.
Tuy nhiên, khi lựa chọn cần xem xét khả năng làm sạch và nguy cơ tích tụ cặn trong các khe của giá thể.
Vai trò của giá thể trong bể xử lý sinh học
Giá thể không trực tiếp “lọc” nước thải giống như vật liệu lọc cơ học. Vai trò chính của giá thể là cung cấp nơi cư trú cho vi sinh vật.
Trong hệ thống bùn hoạt tính truyền thống, phần lớn vi sinh vật tồn tại dưới dạng bông bùn lơ lửng. Với công nghệ giá thể cố định, một phần đáng kể sinh khối được giữ lại trên bề mặt giá thể.
Điều này mang lại một số lợi ích.
- Thứ nhất, hệ thống có thể duy trì lượng sinh khối lớn trong bể mà không nhất thiết phải tăng quá nhiều nồng độ bùn lơ lửng.
- Thứ hai, các nhóm vi sinh vật phát triển chậm như vi khuẩn nitrat hóa có điều kiện lưu giữ lâu hơn trong hệ thống. Đây là yếu tố quan trọng đối với quá trình xử lý amoni.
- Thứ ba, giá thể có thể giúp hệ thống ổn định hơn khi tải lượng ô nhiễm thay đổi trong một phạm vi nhất định.
Bố trí giá thể cố định trong hệ thống xử lý nước thải
Tùy theo mục tiêu xử lý, giá thể có thể được bố trí trong bể hiếu khí, bể thiếu khí hoặc các vùng xử lý sinh học chuyên biệt.
Đối với bể hiếu khí, hệ thống cần được cung cấp oxy thông qua máy thổi khí và hệ thống phân phối khí. Oxy giúp duy trì hoạt động của vi sinh vật hiếu khí và hỗ trợ quá trình oxy hóa chất hữu cơ, amoni.
Đối với vùng thiếu khí, việc cấp khí mạnh cần được hạn chế vì nồng độ oxy hòa tan quá cao có thể làm ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat. Khi đó có thể sử dụng khuấy trộn phù hợp hoặc các phương án tuần hoàn nước để đưa nitrat từ vùng hiếu khí về vùng thiếu khí.
Một hệ thống có thể kết hợp bể thiếu khí và bể hiếu khí để xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ.
Xử lý amoni bằng giá thể sinh học cố định
Một trong những ứng dụng quan trọng của giá thể sinh học cố định là hỗ trợ quá trình xử lý amoni.
Quá trình nitrification diễn ra chủ yếu trong điều kiện hiếu khí. Vi khuẩn nitrat hóa chuyển amoni thành nitrit và sau đó thành nitrat.
Các nhóm vi sinh vật này thường có tốc độ sinh trưởng chậm hơn so với nhiều nhóm vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ. Vì vậy, việc tạo môi trường để chúng bám dính và được giữ lại trong hệ thống có thể giúp quá trình nitrification ổn định hơn.
Tuy nhiên, không nên đánh giá hiệu quả xử lý amoni chỉ dựa vào việc có lắp giá thể hay không. Cần kiểm tra đồng thời lượng oxy, tải lượng amoni, thời gian lưu, pH, nhiệt độ và khả năng duy trì sinh khối.
Nếu hệ thống có lượng oxy không đủ hoặc tải lượng amoni vượt quá khả năng xử lý thì việc tăng giá thể đơn thuần không đảm bảo làm giảm amoni.
Ưu điểm của xử lý nước thải bằng giá thể sinh học cố định
Công nghệ giá thể cố định có một số ưu điểm đáng chú ý:
- Tăng lượng sinh khối có thể duy trì trong bể sinh học.
- Tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật bám dính.
- Hỗ trợ quá trình xử lý BOD, COD và amoni.
- Có thể cải tạo các bể sinh học hiện hữu mà không nhất thiết phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống.
- Có thể kết hợp với công nghệ thiếu khí – hiếu khí.
- Kết cấu tương đối đơn giản nếu sử dụng module giá thể phù hợp.
- Có thể ứng dụng cho nhiều quy mô công trình khác nhau.
Đặc biệt, đối với những hệ thống xử lý nước thải đang vận hành nhưng hiệu suất giảm do thiếu diện tích xử lý sinh học, việc bổ sung giá thể là một phương án có thể được xem xét trong quá trình cải tạo hệ thống.
Hạn chế cần lưu ý
Bên cạnh ưu điểm, công nghệ này cũng có những yêu cầu kỹ thuật cần quan tâm.
Nếu giá thể được bố trí quá dày, dòng nước có thể khó phân phối đều và gây tích tụ cặn. Nếu hệ thống cấp khí không phù hợp, oxy không phân bố đều trong vùng giá thể.
Ngoài ra, lớp màng sinh học quá dày có thể làm giảm khả năng khuếch tán oxy và cơ chất vào bên trong màng. Một phần màng sinh học già có thể bong ra và đi theo dòng nước sang công đoạn lắng.
Do đó, hệ thống cần được thiết kế đồng bộ giữa giá thể, hệ thống phân phối khí, dòng chảy, công trình lắng và chế độ vận hành.
So sánh giá thể cố định và giá thể lơ lửng MBBR
Giá thể cố định và MBBR đều sử dụng nguyên lý vi sinh vật bám dính nhưng cách bố trí và vận hành khác nhau.
Với giá thể cố định, vật liệu được giữ tại một vị trí trong bể. Nước thải đi qua vùng giá thể và tiếp xúc với màng vi sinh.
Với MBBR, các hạt giá thể được duy trì chuyển động trong bể nhờ hệ thống sục khí hoặc khuấy trộn.
MBBR có ưu điểm về khả năng tiếp xúc và tự làm sạch giá thể trong quá trình chuyển động. Trong khi đó, giá thể cố định có thể có kết cấu đơn giản hơn trong một số công trình và phù hợp với các phương án cải tạo bể hiện hữu.
Việc lựa chọn công nghệ nào cần dựa trên lưu lượng, tải lượng ô nhiễm, diện tích xây dựng, yêu cầu nước đầu ra, điều kiện vận hành và ngân sách đầu tư.
Ứng dụng trong cải tạo hệ thống xử lý nước thải
Giá thể sinh học cố định có thể được xem xét trong các trường hợp hệ thống hiện hữu có bể sinh học nhưng hiệu suất xử lý chưa đạt yêu cầu.
Thay vì xây dựng thêm toàn bộ công trình mới, phương án bổ sung module giá thể vào bể hiện hữu có thể giúp tăng diện tích bề mặt cho vi sinh vật bám dính.
Tuy nhiên, trước khi cải tạo cần khảo sát thực tế hệ thống, bao gồm thể tích các bể, lưu lượng nước thải, tải lượng BOD/COD, amoni, tình trạng bùn, hệ thống cấp khí và chế độ vận hành.
Đây là bước quan trọng vì cùng một biểu hiện “nước đầu ra không đạt” nhưng nguyên nhân có thể khác nhau. Có trường hợp nguyên nhân nằm ở thiếu oxy, có trường hợp do thiếu nguồn carbon cho quá trình khử nitrat, bể lắng hoạt động không ổn định hoặc hệ thống bị quá tải.
Do đó, sửa chữa hoặc nâng cấp hệ thống xử lý nước thải cần dựa trên nguyên nhân thực tế thay vì chỉ bổ sung thêm giá thể.
Hệ thống xử lý nước thải đang gặp sự cố?
Xanh Gia Phát nhận khảo sát, sửa chữa, bảo trì và cải tạo hệ thống xử lý nước thải tại TP.HCM.
- Hệ thống xử lý không đạt
- Bơm, blower, tủ điện gặp sự cố
- Nước sau xử lý bị đục, có mùi
- Bể sinh học hoạt động không ổn định
- Cần cải tạo hoặc nâng cấp hệ thống
Cần kiểm tra hệ thống? Liên hệ để được tư vấn và báo giá.
Công nghệ xử lý nước thải bằng giá thể sinh học cố định
Xử lý nước thải bằng giá thể sinh học cố định là phương án xử lý sinh học sử dụng bề mặt giá thể để duy trì và phát triển màng vi sinh. Công nghệ này có thể hỗ trợ xử lý chất hữu cơ và amoni, đồng thời có khả năng ứng dụng trong các hệ thống xây mới cũng như cải tạo hệ thống xử lý nước thải hiện hữu.
Hiệu quả của công nghệ không chỉ phụ thuộc vào loại giá thể mà còn phụ thuộc vào thiết kế bể, lượng oxy, tải lượng ô nhiễm, thời gian lưu nước, dòng tuần hoàn, điều kiện thiếu khí – hiếu khí và chế độ vận hành.
Đối với các hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa, lựa chọn giá thể phù hợp và bố trí đúng kỹ thuật có thể giúp tận dụng công trình hiện hữu, hạn chế việc xây dựng lại toàn bộ hệ thống và thuận lợi hơn cho công tác bảo trì, sửa chữa và nâng cấp về sau.
Trước khi lựa chọn phương án giá thể sinh học cố định, nên khảo sát thực tế hệ thống và xác định nguyên nhân khiến nước đầu ra chưa đạt yêu cầu. Từ đó mới lựa chọn loại giá thể, diện tích bề mặt, tỷ lệ lấp đầy, phương án cấp khí và chế độ vận hành phù hợp với từng loại nước thải.