Bể MBBR trong xử lý nước thải

Bể MBBR – Ứng dụng trong xử lý nước thải

Nước thải là gì ?

Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội của đất nước, dân số ở các khu vực đô thị cũng tăng nhanh dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn. Tại một số khu vực, nước thải sinh hoạt phát sinh chưa được xử lý phù hợp nhưng vẫn xả thải trực tiếp ra môi trường.

Nồng độ các thành phần ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt cao gây ảnh hưởng xấu đến môi trường tiếp nhận và sức khỏe của cộng đồng dân cư xung quanh

Đặc biệt tại các thành phố lớn, nơi tập trung mật độ dân số cao. Nước thải sinh hoạt được xả thải thằng ra môi trường, chảy xuống các kênh rạch. Tạo ra các kênh nước đen, bốc mùi hôi thối, gây ô nhiễm môi trường nước, đất, không khí.

Đặc biệt ảnh hưởng tới người dân sống hai bên kênh nước bị ô nhiễm. Gây ra nhiều vấn đề về sức khoẻ, đặc biệt là sức khoẻ đường hô hấp.

Bể MBBR là gì ?

Bể phản ứng giá thể di động (Moving bed biofilm reactor – bể MBBR) xử lý nước thải dựa vào sự hiện diện của lớp màng sinh học bám trên bề mặt các giá thể. Công nghệ MBBR được phát triển ở Na Uy từ thập niên 80 (Odegaard et al., 1994) và hoạt động dựa vào hệ vi sinh vật (VSV) ở trạng thái bám dính kết hợp với giá thể di động.

Áp dụng công nghệ MBBR giá thể K1 xử lý nước thải sinh hoạt cho kết quả khả quan với hiệu suất xử lý COD đạt 81,7% và TN đạt 58,9% (Quỳnh, 2013). Sử dụng giá thể K3, Anh và ctv. (2017) xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể MBBR cho hiệu suất xử lý 85,6% COD và 61,4% TN.

Yamamoto et al. (1989) đã thiết kế và đặt cột lọc màng vào bể phản ứng sinh học, sử dụng thiết bị tạo áp suất màng để duy trì khả năng lọc. Bố trí cột lọc màng trong bể xử lý nước thải hiếu khí có nhiều ưu điểm bởi lớp cặn và màng sinh học bám vào màng lọc được các bọt khí trong quá trình sục khí đánh bong ra. Đồng thời, cột lọc màng được gắn thêm một bộ phận rửa ngược làm giảm khả năng bị nghẹt. Nhờ đó cột lọc màng được ứng dụng khá phổ biến để xử lý nước thải

Kết hợp bể MBBR và cột lọc màng có thể thay thế vai trò loại bỏ cặn của bể lọc nước đầu vào. Do đó, có thể bỏ bể lắng bậc hai giúp tiết kiệm diện tích xây dựng, chi phí lắp đặt và vận hành hệ thống xử lý nước thải. Cột lọc màng MBR có thể sử dụng với nồng độ của hỗn hợp chất rắn lơ lửng (Mixed liquor suspended solids – MLSS) cao hơn hệ thống lọc thông thường, giúp giảm thể tích bể phản ứng (Zhang et al., 2017).

Tawfik et al. (2010) kết hợp bể sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn yếm khí (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – UASB) và bể MBBR để xử lý nước thải sinh hoạt cho hiệu suất xử lý COD tốt hơn nếu chỉ xử lý bằng bể UASB. Mai (2017) kết hợp quá trình xử lý sinh học liên tục sử dụng các hệ VSV yếm khí và hiếu khí (Anoxic Oxic – AO) và bể MBBR giá thể K3 để xử lý nước thải sinh hoạt đạt hiệu suất 93,1% COD, 96,2% BOD5 và 87,7% TN

Ứng dụng bể MBBR trong xử lý nước thải sinh hoạt

Mẫu nước thải sinh hoạt trong thí nghiệm.

Trước khi vận hành mô hình, nước thải được lấy từ cống xả của khu dân cư trong 3 ngày liên tiếp để đánh giá khả năng phân hủy sinh học. Nước thải có màu đen, mùi hôi, có váng dầu, chứa nhiều cặn lơ lửng, có bọt.

Đặc điểm của nước thải sinh hoạt trình bày trong bảng dưới. Các thông số ô nhiễm của nước thải phù hợp để xử lý sinh học bằng bể MBBR.

− pH của nước thải là 6,8 nằm trong khoảng 6,5 – 8,5 thích hợp cho hoạt động của VSV (Việt & Ngân, 2015).

− Tỷ lệ BOD5/COD = 0,6 > 0,5 thích hợp cho xử lý sinh học (Việt & Ngân, 2015).

− Tỷ lệ BOD5 : N : P = 179,58 : 43,87 : 6,26 = 100 : 24,43 : 3,49 ≠ 100 : 5 : 1 (Việt & Ngân, 2015). Nếu tính cả hàm lượng ni-tơ hữu cơ trong nước thải sinh hoạt thì giá trị tổng N càng lớn cho thấy lượng dưỡng chất trong nước thải thí nghiệm khá cao và cần có HRT phù hợp để loại bỏ.

− Hàm lượng N-NO3- khá thấp do đây là nguồn nước thải thô chưa xảy ra quá trình chuyển hóa amoni thành nitrate.

− Hàm lượng TSS nước thải đầu vào < 150 mg/L phù hợp đưa vào bể xử lý sinh học mà không cần lắng sơ cấp (Việt & Ngân, 2014).

Mẫu nước thải sinh hoạt đầu vào hệ thống xử lý nước thải có các thông số sau.

Thông số ô nhiễm	Đơn vị tính	Nồng độ	QCVN 14:2008/BTNMT (cột A)
pH	–	6,77 ± 0,02	5,0 – 9,0
DO	mg/L	0,96 ± 0,05	–
TSS	mg/L	85,86 ± 27,56	50
BOD5	mg/L	179,58 ± 25,63	30
COD	mg/L	298,21 ± 56,09	75 *
N-NH4+ (tính theo N), Amoni	mg/L	42,02 ± 4,01	5
N-NO3- (tính theo N)	mg/L	1,85 ± 0,89	30
Tổng phốt pho	mg/L	6,26 ± 2,27	4 *
Tổng Coliform	MPN/100 mL	93 × 106	3000

Ghi chú: * giá trị ghi nhận từ QCVN 40:2011/BTNMT (cột A)

nuoc thai dau vao

Nước thải đầu vào và nước thải sau xử lý

Đề xuất công nghệ xử lý nước thải

bể mbbr

Công nghệ xử lý được đề xuất là sự kết hợp giữa bể MBBR (có giá thể di động) và bể MBR (chứa màng lọc MBR)

Có thể tóm tắt như sau. Nước thải –>Bể điều hoà –> Bể MBBR–> Bể MBR–> Đầu ra

Loại giá thể mbbr trong thí nghiệm.

Bể MBBR trong nghiên cứu này sử dụng giá thể mbbr nhựa di động K3 đã được thương mại hóa. Loại giá thể này có kích thước 25×10 mm, tỉ trọng 68 kg/m3 tương đương 100.000 giá thể/m3, diện tích bề mặt riêng là 510 m2/m3 (Bảng 3).

Mật độ VSV trên một đơn vị thể tích lớn tạo điều kiện để phát triển cả ba nhóm vi sinh hiếu khí, thiếu khí, yếm khí làm tăng khả năng xử lý, giảm diện tích bể, tiết kiệm chi phí.

Trong thí nghiệm này, mật độ giá thể được chọn đưa vào bể tiến hành thí nghiệm là 40% ở mức trung bình so với ngưỡng khuyến cáo 20 – 67% (Zhang et al., 2016; Goode, 2010) do nước thải sinh hoạt có mức ô nhiễm trung bình

Đặc điểm giá thể	Giá trị
Phần trăm thể tích chiếm chỗ	40%
Thể tích giá thể trong bể (K)	18,2 L
Phần trăm độ rỗng giá thể	82%
Thể tích chiếm chỗ của giá thể trong bể	3,82 L
Tổng diện tích bề mặt (A) giá thể	9,28 m2
Thể tích nước sau khi cho giá thể vào bể	42,26 L
Tỷ lệ giữa VMBBR hđ và Abề mặt của giá thể	4,9 L/m2

Vận hành hệ thống xử lý nước thải

Giai đoạn nuôi cấy vi sinh.

Nghiên cứu sử dụng bùn hoạt tính lấy từ bể hiếu khí của hệ thống xử lý nước thải tập trung ở Khu công nghiệp Trà Nóc 2, thành phố Cần Thơ để bổ sung nguồn VSV và rút ngắn thời gian tạo màng sinh học cho giá thể trong bể MBBR. Bùn hoạt tính lấy về được nuôi tăng sinh khối, sau đó cho bùn và giá thể vào bể phản ứng. Trong giai đoạn đầu, mô hình vận hành tạm thời với nước thải có chất ô nhiễm hữu cơ cao nhằm thúc đẩy quá trình tạo màng của VSV

Vận hành bể MBBR để tạo màng cho giá thể K3 trong 14 ngày. Sau khoảng thời gian này, trên bề mặt giá thể xuất hiện lớp màng sinh học có màu từ vàng xám đến nâu sẫm (Phẩm, 2009). Sau khi lớp màng sinh học đã hình thành trên bề mặt giá thể, mô hình bể MBBR kết hợp cột lọc màng với nước thải sinh hoạt được vận hành.

gia the k3

Giá thể mbbr k3 trước và sau khi nuôi cấy vi sinh

Giai đoạn vận hành hệ thống xử lý nước thải MBBR

Nước thải sinh hoạt chảy qua lưới lọc để loại bỏ chất rắn có kích thước lớn và một phần chất rắn lơ lửng trước khi đưa vào mô hình thí nghiệm. Nước bơm lên bình Mariotte để đưa vào bể MBBR với lưu lượng định sẵn phù hợp với HRT chọn lựa. Các giá thể trong bể MBBR di chuyển nhờ các đầu thổi khí kết hợp với cánh khuấy giúp VSV tiếp xúc đều và phân hủy các thành phần ô nhiễm trong nước thải.

Nước thải chứa các chất rắn lơ lửng, các màng sinh học bong tróc và bùn lơ lửng chảy qua khe có lưới chắn đến ngăn chứa cột màng lọc. Tại đây các thành phần này bị giữ lại bên ngoài màng lọc và hình thành lớp màng sinh học giúp xử lý các chất ô nhiễm, đồng thời giữ lại một phần vi khuẩn. Phần nước trong sau khi lọc được thấm qua lớp màng lọc vào ống lọc nước và dẫn ra ngoài.

Ở chân các cột lọc, các đầu thổi khí được bố trí để đánh tan các chất rắn, các chất lơ lửng, bông bùn hạn chế chúng bám trên bề mặt màng. Đồng thời, lớp bùn cặn trong bể sẽ được xả bỏ định kỳ nhằm giảm tối thiểu việc tắt nghẽn hệ thống màng lọc. Màng lọc bị nghẹt sẽ được rửa ngược bằng nước và khí để loại bỏ các thành phần bám trên màng trước khi tiếp tục vận hành hệ thống.

Xác định HRT (Thời gian lưu nước)

Trong nghiên cứu của Anh et al. (2012), nước thải sinh hoạt của thành phố Đà Lạt được xử lý bằng 2 bể sinh học (bể thiếu khí, bể hiếu khí) có giá thể K3 chiếm 40% thể tích bể với HRT 5 giờ, tất cả chỉ tiêu đầu ra đều đạt QCVN 14:2008/BTNMT (cột B). Để mô hình MBBR kết hợp cột lọc màng xử lý nước thải sinh hoạt đạt QCVN 14:2008/BTNMT (cột A), HRT 6 giờ được chọn cho thí nghiệm này

Thí nghiệm được tiến hành với HRT 6 giờ, thu mẫu nước đầu ra phân tích chỉ tiêu COD để kiểm tra mô hình đã vận hành ổn định chưa. Nếu hiệu suất xử lý COD không có sự khác biệt lớn trong 3 ngày liên tiếp thì mẫu chính thức được thu để đánh giá hiệu suất xử lý đối với các thông số ô nhiễm khác.

Nếu các thông số ô nhiễm trong nước thải đầu ra đạt QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) thì HRT được giảm còn 5 giờ và lặp lại thí nghiệm để đánh giá hiệu quả xử lý. Nếu các thông số ô nhiễm không đạt thì tăng thời gian lưu lên 7 giờ và tiếp tục thí nghiệm.

Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể MBBR

Sau 14 ngày vận hành, màng sinh học đã hình thành trên giá thể biểu hiện qua một lớp màng nhớt và có màu nâu. Để đánh giá bể đã hoạt động ổn định chưa, nước thải đầu vào và đầu ra của bể được thu trong 5 ngày liên tiếp và phân tích COD.

Nồng độ COD của nước thải đầu vào biến động khá lớn 298,21± 56,09 mg/L nhưng trong nước thải đầu ra biến động nhỏ 32,27 ± 3,82 mg/L. Điều này cho thấy hệ VSV trong bể đã hình thành lớp màng sinh học tương đối ổn định để thực hiện thí nghiệm.

Trong nghiên cứu này, mô hình thí nghiệm vận hành tốt và cho hiệu suất xử lý cao ở HRT 6 giờ, nước thải sau xử lý đạt yêu cầu xả thải theo cột A của QCVN 14:2008/BTNMT. Do đó, mô hình được tiếp tục vận hành ở HRT 5 giờ để đánh giá hiệu suất xử lý.

Nước thải sau xử lý có giá trị pH tăng so với pH của nước thải đầu vào cho thấy quá trình khử nitrate trong mô hình diễn ra khá tốt. Giá trị pH của nước thải trong cả hai thí nghiệm tăng nhưng vẫn nằm trong khoảng cho phép từ 5,0 đến 9,0 theo QCVN 14:2008/BTNMT (cột A).

Nồng độ DO trong bể được duy trì từ 2,3 đến 2,5 mg/L để cung cấp oxy cho hoạt động của hệ VSV. Khi oxy khuếch tán từ nước vào trong lớp màng sinh học, lượng oxy giảm xuống dưới 1 mg/L tạo điều kiện thiếu khí giúp quá trình khử nitrate diễn ra chuyển hóa NO3- thành N2 và tạo alkalanity đưa vào nước thải làm tăng pH (Triết & Việt, 2009).

Giá trị TSS trong nước đầu ra bể MBBR giảm thấp chỉ còn 0,57 ± 0,15 mg/L và 1,20 ± 0,17 mg/L lần lượt cho HRT 6 giờ và 5 giờ, đạt cột A theo QCVN 14:2008/ BTNMT. Hiệu suất loại TSS từ 97,3% đến 98,3% rất cao nhờ quá trình hấp phụ các chất rắn lơ lửng trong nước thải trên bề mặt màng sinh học và các VSV phân hủy chúng để tổng hợp các tế bào mới. Bên cạnh đó, việc giữ lại chất rắn lơ lửng bởi lớp màng lọc và hấp thụ trên lớp màng sinh học bên ngoài màng lọc cũng góp phần làm giảm đáng kể lượng TSS trong nước thải sau xử lý.

Giá trị BOD5 trong nước thải đầu ra bể MBBR giảm mạnh so với đầu vào chỉ còn 6,37 ± 3,65 mg/L (HRT 6 giờ) và 16,83 ± 3,92 mg/L (HRT 5 giờ). Hiệu suất loại bỏ BOD5 rất cao đạt 89,5 – 94,6% tương đương với hiệu suất 96,2% ghi nhận bởi Mai (2017) khi kết hợp bể AO và bể MBBR.

Tương tự, hiệu suất loại bỏ COD khá cao đạt 86,6 – 89,4%, cao hơn giá trị 85,6% (Anh và ctv., 2017) và 81,7% (Quỳnh, 2013) khi chỉ sử dụng bể MBBR với các thông số vận hành tương tự. Hiệu suất loại bỏ COD của nghiên cứu này cũng cao hơn mức 80 – 86% khi xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể UASB kết hợp MBBR (Tawfik et al., 2010), nhưng thấp hơn hiệu suất 93,1% khi kết hợp bể AO và bể MBBR (Mai, 2017).

Nồng độ BOD5 và COD trong nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 14:2008/BTNMT (cột A). Hiệu quả loại bỏ BOD5 và COD cao do quá trình phân hủy các chất ô nhiễm bởi VSV trong màng sinh học tạo các chất khí, đồng thời VSV đồng hóa các chất để tổng hợp các tế bào mới (Việt & Ngân, 2014). Bên cạnh đó, việc giữ lại chất rắn lơ lửng bởi lớp màng lọc và hấp thụ trên lớp màng sinh học bên ngoài màng lọc cũng góp phần làm giảm đáng kể nồng độ BOD5 và COD.

Giá trị N-NH4+ trong nước thải đầu ra bể MBBR giảm còn 2,78 ± 0,21 mg/L (HRT 6 giờ) và 3,28 ± 0,31 mg/L (HRT 5 giờ) là do một phần đạm amoni chuyển hóa thành đạm nitrate, một phần khác được các VSV dị dưỡng chuyển hóa vào bên trong tế bào để tổng hợp thành tế bào vi khuẩn mới (Việt & Ngân, 2016). Giá trị N-NH4+ trong nước thải đầu ra ở cả hai HRT đều đạt tiêu chuẩn xả thải theo cột A của QCVN 14:2008/BTNMT với hiệu suất loại bỏ từ 84,5% đến 88,2%.

Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể AO kết hợp bể MBBR ghi nhận hiệu suất xử lý TN tương đương đạt 87,7% (Mai, 2017). Tuy nhiên, hiệu suất xử lý TN của các nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt chỉ bằng bể MBBR thấp hơn, đạt 61,4% với giá thể K3 (Anh và ctv., 2017) và 58,9% với giá thể K1 (Quỳnh, 2013)

Giá trị Tổng phốt pho trong nước thải đầu ra bể MBBR giảm còn 0,78 ± 0,03 mg/L (HRT 6 giờ) và 1,0 ± 0,22 mg/L (HRT 5 giờ). Như vậy, TP(Tổng phốt pho) được xử lý khá tốt với hiệu suất từ 57,6 đến 67,6%, đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 14:2008/BTNMT (cột A). Nồng độ tổng phốt pho giảm là do quá trình xử lý các VSV trong màng sinh học hấp thụ để tổng hợp các tế bào mới (Việt & Ngân, 2015).

ket qua xu ly nuoc thai be mbbr

Kết quả xử lý nước thải ở HRT (thời gian lưu nước) 6 giờ.

hieu qua xu ly

So sánh hiệu quả xử lý nước thải ở HRT 5,6 giờ.

Kết luận về bể mbbr trong xử lý nước thải sinh hoạt.

Kết quả cho thấy ở tải nạp vào bể MBBR là 0,47 kg BOD5/m3/ngày, kết hợp tải nạp nước 0,79 m3/m2/ngày qua cột lọc màng, thời gian lưu nước 6 giờ, nước thải đầu ra đã đạt QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) với hiệu suất xử lý BOD5 đạt 94,6%, COD 86,6%, N-NH4+ 88,2% và TP 67,6%.

Ở thời gian lưu 5 giờ, tải nạp vào bể MBBR 0,77 kg BOD5/m3/ngày, tải nạp nước qua cột lọc màng 0,95 m3/m2/ngày, các thông số chất lượng đầu ra vẫn đạt QCVN 14:2008/BTNMT (cột A), trong đó hiệu suất xử lý BOD5 đạt 89,5%, COD 89,4%, N-NH4+ 84,5% và TP 57,6%.

Như vậy, bể MBBR kết hợp với cột lọc màng MBR tự chế có thể ứng dụng xử lý nước thải sinh hoạt đạt QCVN 14:2008/BTNMT (cột A) ở thời gian lưu nước 5 giờ.

Quý khách hàng có nhu cầu xử lý nước thải sinh hoạt hay nước thải công nghiệp. Vui lòng liên hệ với Green Star để được tư vấn miễn phí.

lien he sdt