Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng MBR trong công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp*

Công nghệ màng hiện nay đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong quá trình xử lý nước thải và nước thiên nhiên. Màng lọc được chia làm 4 loại chính, phụ thuộc vào kích thước của các lỗ màng hay chính là kích thước phân tử được giữ lại trên màng. Theo chiều giảm kích thước lỗ màng, các loại màng bao gồm cỡ micro (microfiltration-MF), ultra (ultra filtration-UF), nano (nanofiltration-NF) và hyper hay màng thẩm thấu ngược (hyperfiltration, reverse osmosis-RO). Trong các loại màng lọc này, các màng MF và UF hiện đang sử dụng trong công nghệ XLNT sinh hoạt và công nghiệp trong hệ thống MBR.

MBR (Membrane Bio-Reactor) là sự kết hợp giữa hai quá trình cơ bản trong một đơn nguyên: 1) Phân hủy sinh học chất hữu cơ; 2) Kỹ thuật tách sinh khối vi khuẩn bằng màng vi lọc (micro-filtration). Do đó MBR thay thế công nghệ xử lý bùn hoạt tính truyền thống, kết hợp bể lắng, bể aeroten, bể lọc và màng lọc bằng một hệ thống dây chuyền đơn giản hơn trong xây dựng và vận hành. Công nghệ MBR rất hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ, kim loại nặng, và vi khuẩn, phù hợp để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước rỉ rác. Chất lượng nước sau khi xử lý rất tốt và ổn định, với hàm lượng SS <1 mg/L, độ đục <0.2NTU. Hiệu suất lọc Nitơ và Ammonia lên đến 90-95% và đặc biệt hiệu suất loại bỏ vi khuẩn và virus rất cao. Đặc biệt, màng lọc ở đây còn đóng vai trò một barie giữ lại các vi khuẩn nguy hiểm đến sức khỏe mà quá trình khử trùng bằng clo cũng không có tác dụng. Nước sau xử lý thích hợp để xả ra môi trường tự nhiên hoặc các mục đích tái sử dụng như tưới cây, rửa sàn, dội nhà vệ sinh,…

Đối với công nghệ MBR có thể sử dụng rất nhiều vật liệu chế tạo màng khác nhau. Theo vật liệu chế tạo màng có thể phân loại chung là vật liệu hữu cơ (polyme tổng hợp) hay vô cơ (vật liệu gốm hay kim loại). Mô đun màng có 4 loại chính: dạng khung tấm, dạng ống, dạng cuốn xoắn, và dạng sợi rỗng. Trong xử lý nước thải mô đun sợi rỗng thường được đặt trực tiếp trong nước thải, và nước sau lọc được thu ở đầu cuối của màng.

Hiện nay trên thế giới các loại màng UF sử dụng trong hệ MBR được các hãng sản xuất lớn chủ yếu là Mỹ và Nhật Bản cung cấp. Bảng 1 giới thiệu một số loại màng UF và MF phổ biến được sử dụng trong hệ MBR xử lý nước thải.

Bảng 1. Các loại màng UF và MF ứng dụng trong hệ thống XLNT MBR

Trong xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học, màng được đặt tích hợp trong bể bùn hoạt tính sinh hoc (Membrane Bioreactor – MBR). Có hai cấu hình được ứng dụng là màng đặt riêng (side-stream) và màng đặt ngập (submerged) trong bể sinh học.

Bảng 2. So sánh giữa cấu hình MBR đặt riêng và MBR đặt ngập

Ưu điểm chính của hệ thống MBR: nước sau xử lý có chất lượng rất tốt, có khả năng tái sử dụng lại; hệ thống hoạt động ổn định, ngày cả ở các trạm công suất nhỏ; tiêu thụ năng lượng ít; lượng bùn dư nhỏ; hiệu quả xử lý về vi sinh vật rất cao, giảm thiểu các nguy cơ nhiễm bệnh. Việc ứng dụng công nghệ màng vào quá trình xử lý nước và nước thải đã cho phép khắc phục được những nhược điểm của công nghệ bùn hoạt tính truyền thống. MBR kết hợp giữa công nghệ lọc màng và bể xử lý sinh học nước thải bằng bùn hoạt tính, thay thế vai trò tách cặn của bể lắng thứ cấp và bể lọc nước. Như vậy, ngoài các ưu điểm về kỹ thuật, công nghệ này còn ngày càng cho thấy có hiệu quả cao trong kinh tế.

Công nghệ lai hợp (hybrid) AO - MBR bao gồm hai quá trình chính xảy ra trong một bể phản ứng đó là:

- Phân huỷ sinh học các chất hữu cơ bằng bùn hoạt tính, quá trình nitrat hóa, khử nitrat và loại bỏ photpho nhờ sự kết hợp giữa các bể thiếu khí và hiếu khí

- Kỹ thuật tách sinh khối vi khuẩn bằng màng vi lọc (micro-flitration). Trong bể duy trì hệ bùn sinh trưởng lơ lửng, các phản ứng diễn ra tại đây giống như các quá trình sinh học thông thường khác, nước sau xử lý được tách bùn bằng hệ lọc màng với kích thước màng khoảng 0,1 - 0,4 µm. Màng ở đây còn đóng vai trò như một giá thể cho vi sinh vật dính bám tạo nên các lớp màng vi sinh vật dày, làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, tăng cường khả năng phân huỷ sinh học.

Kết hợp công nghệ AO với MBR là một hướng xử lý nước thải mới, cho hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. So với các công nghệ xử lý sinh học truyền thống thì công nghệ AO & MBR có nhiều ưu điểm vượt trội cụ thể như sau.

Bảng 3. Đặc điểm của công nghệ MBR

Công nghệ AO - MBR được ứng dụng để xử lý nước thải bệnh viện, nước thải sinh hoạt tại các khu đô thị, các nhà hàng, khách sạn … Nước thải đầu ra từ hệ thống AO -MBR đạt tiêu chuẩn xả thải của Tiêu chuẩn và quy chuẩn liên quan.

Công nghệ xử lý nước thải bằng MBR ngày càng được quan tâm và áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Công nghệ xử lý nước và nước thải bằng màng vi lọc là công nghệ tiên tiến được các nước phát triển như Nhật, Mỹ, châu Âu áp dụng rộng rãi trong vòng hai thập kỷ qua. Đặc biệt trong đó công nghệ bể sinh học màng vi lọc MBR đã chứng tỏ các ưu thế vượt trội trong hiệu quả xử lý, vận hành và vốn đầu tư.

Hình 1. Biểu đồ phát triển công nghệ xử lý nước thải bằng MBR ở Châu Âu. Nguồn: Đại học tổng hợp Aachen, 2007.

Hiện nay trên thế giới thị phần MBR đang có xu hướng tăng nhanh. Giá trị ước tính khoảng 337 triệu USD trong năm 2010, thị trường MBR toàn cầu đang tăng với tỉ lệ tăng trưởng tổng hợp hàng năm (CAGR) là 13,2% và dự kiến ​​sẽ lên tới 627 triệu vào năm 2015.

Nhật Bản, Pháp và Anh Quốc là các quốc gia tiên phong trong việc phát triển công nghệ này nhưng trong những năm gần đây Hàn Quốc, Trung Quốc và Đức đã đạt được các thành tựu nổi bật trong việc cải tiến công nghệ.

Do tình trạng cạn kiện nguồn nước cấp và nhu cầu cấp nước ngày càng tăng (do tăng trưởng dân số, việc tái sử dụng nước thải trở nên ngày càng cần thiết và quan trọng. MBR hiện là công nghệ hàng đầu đang được áp dụng cho mục tiêu tái sử dụng nước ở nhiều quốc gia. Do công nghệ được phát triển và cải tiến mạnh mẽ, cũng như giá thành giảm mạnh trong những năm gần đây, kéo theo việc ứng dụng công nghệ MBR cho việc tái sử dụng nước ngày càng phổ biến ở nhiều quốc gia. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, áp dụng thành công việc tái sử dụng nước thải sau khi xử lý bằng công nghệ màng MBR.

Các qui định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt liên quan đến bảo tồn nước ngọt và ngăn chặn ô nhiễm là điều kiện thúc đẩy phát triển công nghệ trong trong 30-40 năm qua. Hiện nay chi phí đầu tư là một trong những rào cản chính để phát triển MBR tuy nhiên với việc phát triên mạnh mẽ trong công nghiệp màng lọc (bao gồm sự phát triển các sản phẩm màng, số lượng các nhà sản xuất màng tăng cao, công suất lọc và các thông số thiết kết được cải thiện...) thì bài toán hiệu quả chi phí với MBR không còn là vấn đề phức tạp nữa.

Trong vòng vài năm gần đây đã có một số nghiên cứu về MBR được thực hiện ở Việt nam để xử lý nước thải công nghiệp, nước rỉ rác và cho những kết quả khả quan. Tiển sĩ Nguyễn Phước Dân (Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh) đã thành công trong việc thử nghiệm tại phòng thí nghiệm dây chuyền MBR để xử lý nước rỉ rác. Lê Văn Chiều, Cao Thế Hà và Nguyễn Hữu Quyết, 2010, đã triển khai nghiên cứu xử lý nước hồ ô nhiễm ở Hà Nội bằng công nghệ AO, bùn hoạt tính kết hợp màng vi lọc (MBR). Tại thành phố Hồ Chí Minh, công ty cổ phần Môi Trường GreenTech đã ứng dụng thành công công nghệ màng sợi rỗng nhúng chìm (Hollow Fiber MBR) của hãng Mitsubishi Rayon để xử lý nước thải một số công trình dịch vụ và nhà máy. Từ năm 2009, Công ty KUBOTA (Nhật Bản) đã báo cáo với Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam công nghệ xử lý nước thải tích hợp trong thiết bị chế tạo sẵn Johkaso xử lý nước thải bệnh viện, trong đó những loại thiết bị có lắp đặt các bộ MBR nhúng ngập để xử lý các chất dinh dưỡng, khử trùng và tăng cường xử lý BOD.

Tuy nhiên cho đến nay các ứng dụng MBR để xử lý các loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp ở Việt Nam còn ở mức hạn chế. Trong các quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng chưa đề cập đến các loại MBR để xử lý nước thải đô thị và công nghiệp cũng như hương dẫn tính toán thiết kế các loại công trình này.

THANH ANH

*Trích đăng Báo cáo tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI QUY MÔ NHỎ BẲNG CÔNG NGHỆ MBR (Membrane Bioreactor)” Thuộc Đề án Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025
Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Xây Dựng
Chủ nhiệm đề tài: GS. TSKH Trần Hữu Uyển/ PGS.TS Trần Đức Hạ