Quá trình tăng trưởng vi sinh dính bám và ý nghĩa trong xử lý nước thải y tế

Tăng trưởng vi sinh dính bám giống ở bể chứa các vi sinh vật dạng lơ lửng. ĐIểm khác biệt là vi sinh vật phát triển dính bám trên vật liệu tiếp xúc.

Màng sinh học – Biological film.

Hầu hết các vi sinh vật có thể xâm chiếm bề mặt môi trường dinh dưỡng ở giai đoạn tăng trưởng. Vi sinh tự bám dính vào chất nèn bằng các exopolyme mà chúng tạo ra. Sự xâm lấn ban đầu của chất rắn diễn ra ở 1 số vị trí ưu tiên. Chính từ những vị trí này mà màng sinh học phát triển đến khi tổng diện tích bề mặt của chất nền được phủ lên. Đồng thời, các lớp mới được tạo ra và làm cho màng dày lên.

Xem thêm: Những vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải y tế

Oxy và chất dinh dưỡng có trong nước được xử lý khuếch tan qua màng cho đến khi đạt độ dày để oxy không qua được. Do đó, sự phân tầng xảy ra trong các màng dày các lớp hiếu khí có oxy khuếch tán và lớp kỵ khí ở sâu hơn không chứa oxy. Kích thước của các lớp sẽ khác nhau thùy thuộc vào loại bể phản ứng và vật chất có trong dung môi.

Sử dụng màng sinh học trong xử lý nước đã chỉ ra rằng:

• Tốc độ các vật chất hữu cơ bị hao mòn không đổi khi độ dày màng sinh học làm giới hạn oxy ở cả những lớp màng sâu nhất.
• Trong màng hiếu khí, quá trình tăng trưởng vi sinh bám dính có mức độ hoạt động cụ thể cao hơn so với trong môi trường lơ lửng.

Dựa trên các nguyên tắc này, quá trình tăng trưởng có những tên gọi khác nhau. Có thể phân tách làm 3 loại:

• Quy trình bộ lọc nhỏ giọt: Sự tăng trưởng gắn liền không chìm.
• Quy trình bộ lọc sinh học: Sự tăng trưởng gắn liền chìm.
• Quy trình kết hợp sử dụng vật chất cố định hoặc di động.

Bộ lọc nhỏ giọt – buồng vi sinh trong tăng trưởng vi sinh dính bám

Phương pháp vận hành

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc nhỏ giọt bao gồm nước nhỏ giọt cần được xử lý. Sau khi trải qua quá trình lắng đọng sơ cấp hoặc đã được sàng lọc kỹ. Thông qua 1 khối vật chất tự nhiên hoặc nhân tạo đóng vai trò là chất nền để tinh chế các vi sinh vật hình thành màng.

Các vi sinh bám dinh loại bỏ chất hữu cơ bằng cách hấp thụ các thành phần hòa tan và lơ lửng. khi các vi sinh vật phát triển, màng dày hơn. Tạo ra 2 lớp màng: hiếu khí và sau đó là kỵ khí.

Các cơ chế nội sinh và khí được tạo ra khiến màng sinh học dỡ bỏ cục bộ để tạo ra diện tích mới, diễn ra quá trình mới. Hiện tượng tách màng sinh học hay là sự “bong tróc” này phụ thuộc chủ yếu vào khả năng tải chất hữu cơ và thủy lực của bộ lọc.

Quá trình chuyển hóa hiếu khí diễn ra cần cấp oxy qua lực sự thông gió tự nhiên hoặc lực gió cưỡng bức.

Chất lỏng thu được ở màng để nuôi bể lắng thứ cấp, nơi mà bùn được tạo và tách ra khỏi nước đã xử lý. Tỷ lệ chất lỏng thu được thường tái chế vào đầu lọc nhỏ giọt. Để làm loãng các chất gây ảnh hưởng và đảm bảo màng sinh học luôn giữ đủ độ ẩm. Bộ lọc nhỏ giọt là quá trình thanh lọc sinh học chính sử dụng trong những năm 50. Ưu điểm hơn so với hệ thống bùn hoạt tính là:

• Không cần giám sát nhiều.
• Tiết kiệm năng lượng đáng kể do không cần bơm khí.
• Khôi phục nhanh sau quá trình sốc độc.

Tuy nhiên, có 1 số nhược điểm:

• Cùng khối lượng tải với BOD để so sánh, bộ lọc nhỏ giọt có quá trình thanh lọc kém hiệu quả hơn.
• Nguy cơ bị tắc cao, đặc biệt là buồng lọc truyền thống.
• Chi phí xây dựng cao.
• Bùn không ổn định
• Phiền toái do mùi hôi, sinh bọ và côn trùng gây bệnh.

Phân loại

Bộ lọc nhỏ giọt được phân loại theo thủy lực và khả năng tải hữu cơ. Tải trọng thủy lực được biểu thị bằng m³, m^-2, h^-1 liên quan tới mặt cắt của bộ lọc, bao gồm tốc độ dòng tuần hoàn.

Tải trọng hữu cơ biểu thị bằng kg BOD/m³ với khối lượng vật chất, đặc biệt là nitrat hóa: BOD hoặc N-NH₄ với diện tích bề mặt phát triển của vật liệu.

Mở rộng một số thông tin về bộ lọc nhỏ giọt:

• Bộ lọc nhỏ giọt tốc độ thấp được sử dụng với độ sâu vật chất từ 1 – 2m và cốt liệu truyền thống. Trong điều kiện thuận lợi, bộ lọc giải phóng BOD thấp và nitrat hóa. Loại tải BOD này cũng được dùng trong quá trình nitrat hóa cấp 3, cốt liệu nhựa.
• Bộ lọc nhỏ giọt tốc độ trung bình: Sử dụng 1 hoặc 2 giai đoạn. Tùy thuộc vào hiệu suất mục tiêu và tuần hoàn thủy lực. Để giảm khả năng tắc nghẽn đo màng sinh học tăng trưởng quá mức. Cần vận hành tải trọng thủy lực tối thiểu có thể thay đổi theo loại nước thải và tính chất của vật liệu được chọn. Tải trọng thủy lực tức thời, liên tục hoặc gián đoạn phải nằm trong khoảng 1.8 – 3m³. Đòi hỏi khôi phục ngay ở đầu ra của bộ lọc nhỏ giọt hoặc ở hạ lưu bể lắng.
• Buồng chịu tải cao: được sử dụng chủ yếu khi sàng lọc nước thô, đặc biệt là xả thải công nghiệp trước khi đưa vào xử lý thứ cấp. Ưu điểm chính là tiêu thụ năng lượng thấp trên tỷ lệ BOD bị loại bỏ.

Yêu cầu lắp đặt trong quá trình tăng trưởng vi sinh dính bám

Thiết kế và lắp đặt bộ lọc nhỏ giọt cần: vật liệu, cơ chế phân phối thủy lực, hệ thống sục khí, bảo vệ hạ lưu và làm sạch.

• Vật liệu lý tưởng phải cung cấp bề mặt tiếp xúc rộng, không gian trống cao và độ bền cơ học đầy đủ.

+ Vật liệu truyền thống: Pozzolana, than luyên kim hoặc đá cuội nghiền nát. Không gian trống thấp tạo ra nguy cơ tắc nghẽn nhanh và hạn hết tải trọng hữu cơ. Hiện nay chất liệu này hiếm khi được sử dụng.

+ vật liệu nhựa: có sẵn trên thị trường và đáp ứng được các yêu cầu về diện tích bề mặt lớn từ 80 – 150m², chỉ số không gian trống hơn 90%, nhẹ và có độ bền cơ học đủ cho phép sử dụng ở độ sâu 4 – 6m. Cần lưu ý rằng trong điều kiện bình thường, vật liệu có thể nặng từ 300 – 350kg. các loại vật liệu này có thể khác nhau về hình dạng, cấu trúc và bản chất cơ bản. Vật liệu khối nhạy cảm hơn với sự tắc nghẽn. Nếu sử dụng sẽ gây hạn chế nước pha loãng và tải chất rắn lơ lửng thấp.

Với vật liệu có cấu trúc, các module sẽ được xếp chồng lên 1 độ cao nhất đinh thành tháp hình tròn hoặc hình chữ nhật. Với cấu trúc nhẹ, cốt liệu nhựa có khả năng tự hỗ trợ. Vật liệu cần đặt trên 1 tấm lưới hoặc 1 hệ thống dầm. Phải hết sức cẩn thận khi thiết kế cấu trúc hỗ trợ này. Vì đây là nơi dễ xảy ra tắc nghẽn đầu tiên.

• Phân phối thủy lực.

Xử lý nước kể cả nước tuần hoàn được phân phối đến đỉnh của các bộ lọc tròn bởi thiết bị phân phối quay. Thiết bị này được tạo thành bởi 2 – 6 cánh quạt, gắn trên 1 trục trung tâm xoay theo chiều ngang. Những chiếc cánh bao gồm các ống đã đục lỗ để nước đi qua và vào bộ lọc. Thiết bị phân phối được kích hoạt bằng lực đẩy của nước đi qua những lỗ đã đục sẵn đến các khu vực kích thước nhỏ dưới 10.000 PE.

Với các bộ lọc nhỏ giọt hình chữ nhật, thiết bị phân phối cố định hoặc kết hợp phân phối cố định và xoay có thể sử dụng tùy theo mục đích.

Thông số chính đảm bảo bộ lọc hoạt động ổn định là tốc độ phun. Tức là độ sâu của chất lỏng được giải phóng ra khỏi vật liệu mỗi khi cánh bộ lọc đi qua vật liệu. Đơn vị tính là mm/ lượt. Tốc độ phun có ảnh hưởng lớn đến sự bong tróc của vật liệu và gián tiếp ảnh hưởng đến màng sinh học cùng hiệu suất làm sạch của bộ lọc nhỏ giọt.

Thiết kế của thiết bị phân phối sao cho có thể điều chỉnh tốc độ quay và tốc độ phun theo khả năng tải của BOD. Đặc biệt là phun không liên tục cường độ cao phải được áp dụng cho các bộ lọc tải từ trung bình đến cao.

• Hệ thống sục khí.

Sục khí thích hợp là cần thiết để duy trì điều kiện hiếu khí trong bộ lọc nhỏ giọt. Nhờ đó, sản phẩm tạo ra sẽ đạt hiệu suất thỏa đáng và không gây mùi khó chịu.

Trong lịch sử, không khí được cấp bằng lực gió tự nhiên thông qua các lỗ tạo ra ở đáy buồng. Cung cấp khả năng tự do qua lại, sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí bên ngoài và trong buồng sẽ tạo ra sự lưu thông bình thường đủ để cung cấp sục khí. Tuy nhiên ở 1 số quốc gia, vào những thời điểm nhất định của mùa hè, sự chênh lệch nhiệt độ thấp có nghĩa không có đủ sự lưu thông không khí. Thông gió cưỡng bức sử dụng máy thổi được sử dụng trong những trường hợp như vậy. Mục đích nhằm cấp đủ nguồn oxy và giảm thiểu mùi hôi.

• Bảo vệ.

Các biện pháp bảo vệ cụ thể cho quá trình này bao gồm:

+ Chống lạnh: Bộ lọc nhỏ giọt bằng nhựa hoạt động giống như tháp giải nhiệt. Ở các nước khí hậu lạnh, họ thường hạn chế thất thoát nhiệt thông qua sử dụng ốp đôi và mái kết hợp quy trình thông gió theo quy định.

+ Chống ăn mòn: Bảo vệ các bộ phận bằng kim loại, đặc biệt là ở thiết bị phân phối và hỗ trợ.

+ Chống mùi: Trong hệ thống xử lý nước thải y tế phòng khám , bộ lọc nhỏ giọt là nguồn gốc của mùi hôi. Những buồng chứa vi khuẩn cần được che phủ và khử mùi khi thoát khí ra ngoài.

+ Chống côn trùng: Che lưới mịn hoặc dung cụ che phủ, phun thuốc chuyên dụng để tiêu diệt ruồi muỗi và các loại côn trùng khác.

• Làm trong nước

Các chất rắn lơ lửng tách ra khỏi dung môi được thu hồi tại bể lắng thứ cấp, tạo ra nước thải trong. Hệ thống có sự khác biệt chính ở bể lắng bùn hoạt tính là nồng độ chất rắn lơ lửng thấp đáng kể và không có bùn tuần hoàn. Tốc độ tối đa khoảng 1.5m/h sẽ tạo ra lương chất rắn lơ lửng dưới 30 mg/L.

Bộ lọc sinh học

Hoạt động nuôi cấy vi sinh đặc biệt phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi chất, gồm có cốt liệu và oxy. Trong bùn hoạt tính, diện tích bề mặt sẽ bị hạn chế do vi sinh vật kết mảng.

Trong các bộ lọc nhỏ giọt, diện tích phát triển của môi trường hỗ trợ trên 1m bể phản ứng vẫn còn thấp. Việc phân phối lý tưởng để xử lý toàn bộ màng sinh học có thể gặp vấn đề ở quy mô công nghiệp. Ngoài ra, màng sinh học dày và có hạn chế lớn về khuếch tán.

Ý tưởng gắn vi sinh vật vào môi trường hỗ trợ dạng hạt, kích thước hiệu quả dưới 5mm, sẽ tạo ra diện tích phát triển bề mặt cụ thể. Nhờ đó, diện tích bề mặt trao đổi chất lớn hơn nhiều so với quy trình khác. Ví dụ, vật liệu sinh học nhẹ có kích thước 2.7mm sẽ phát triển diện tích bề mặt trao đổi chất là 700m² so với 100 – 200m² ở bộ lọc nhỏ giọt bằng cốt liệu nhựa.

Sự chênh lệch này dẫn đến sự phát triển của các quá trình tăng trưởng vi sinh dính bám được gọi là Bộ lọc sinh học trong 3 thập kỷ qua.

Quá trình này bao gồm 3 giai đoạn:

Vật liệu tiếp xúc và màng sinh học; chất lỏng và không khí; BOD và N-NH₄ pha lỏng bị oxy hóa khi tiếp xúc với màng sinh học. Oxy được hòa tan vào nước cấp đầu vào trước khi cấp vào quá trình.

Các quy trình cố định trong buồng bao gồm: Bể dòng chảy phản ứng hoặc dòng chảy theo hướng nước. Các hạt vật liệu làm đầy là yếu tố chính liên quan đến hiệu suất và đặc tính vận hành của các bể phản ứng này.

Bùn dư thừa được tạo ra bởi việc lưu trữ các chất rắn lơ lửng và sự tăng trưởng sinh khối bị giữ lại trong hệ thống. Cần loại bỏ thường xuyên bằng cách rửa bể phản ứng.

Các quy trình này cũng được sử dụng trên tất cả các bộ lọc hiếu khí, có thể áp dụng như các bộ lọc Anoxia để khử Nitro. Bộ lọc sinh học có nhiều loại khác nhau. Cụ thể là:

Bộ lọc hiếu khí

Bộ lọc hiếu khí sử dụng để loại bỏ carbon, loại bỏ carbon kết hợp nitrat hóa, nitrat hóa cấp 3 và xử lý làm trong. Kích thước bộ lọc dựa trên BOD và tốc độ lọc.

Do nguyên lý hoạt động, bộ lọc sinh học rất nhạy cảm với nồng độ chất rắng lơ lửng TSS của chất ảnh hưởng. Tốt nhất không nên sử dụng sau khi làm lắng sơ cấp hoặc trong nước pha loãng.

Xử lý carbon và nitro được thực hiện qua 2 cách: thực hiện giữa 1 giai đoạn duy nhất là loại bỏ BOD và nitrat hóa. Hoặc 1 hệ thống 2 giai đoạn là loại bỏ BOD sau đó mới nitrat hóa. BOD tăng tập trung sẽ trực tiếp tác động đến N-NH₄. Bởi các sinh khối dị dưỡng sẽ phải cạnh tranh với các vi sinh tự dưỡng oxy. Các yếu tố chính ảnh hưởng giữa 2 hệ thống này là:

+ Tính chất của chất ảnh hưởng được xử lý: tỷ lệ BOD/TKN, nồng độ BOD

+ Hiệu suất nitrat hóa cần thiết: nitrat hóa 1 phần hoặc hoàn toàn.

+ Công suất lắp đặt

Từ đó có thể thấy, hệ thống 2 giai đoạn được ưu tiên hơn bởi 2 tính chất được tách rõ ràng. Do đó, 2 sinh khối có thể được tối ưu hóa và có thể sử dụng chu trình rửa ngược để tối ưu cho mỗi giai đoạn.

Bộ lọc dòng chảy

Bộ lọc sinh học xuất hiện đầu tiên vào năm 1970 có tên Flopac. Đây là bộ lọc dòng chảy sử dụng nước bão hòa oxy ngược dòng. Vật liệu lọc được gọi là Chamotte, tạo ra bằng đất sét nung kết hợp vật liệu hữu cơ. Cho phép thu về vật liệu dạng hạt có diện tích bề mặt cao. Vài năm sau đó, Chamotte được thay thế bằng cát và biolite.

Bộ lọc dòng chảy lên.

Biofor là bộ lọc sinh học dòng chảy, trong đó không khí và nước xử lý được bơm qua 1 mạng lưới các bộ khuếch tan bong bóng mịn, gọi là Oxazur. Biolite là môi trường lọc, các hạt và mật độ của chúng được chọn theo từng ứng dụng.

Trong những năm gần đây, biofor đã có nhiều cải tiến giúp cải thiện hiệu suất đáng kể.

Nhiều bộ lọc được làm từ vật liệu tổng hợp, mật độ nhỏ hơn 1. Vật chất nổi được giữ lại bằng trần có vòi phun.

Về nguyên tắc, bộ lọc này sử dụng trong ứng dụ chỉ nitrat hóa hoặc khử nitrat hóa kết hợp. Không khí được bơm vào đáy buồng lọc hoặc vào vật liệu.

Nước được xử lý lưu trữ phía trên buồng lọc. Ở giai đoạn này bộ trâm tiếp tục được cấp khí để tăng hiệu quả trộn.

Biostyr rất phù hợp với quá trình nitrat hóa mà trong nước TSS nồng độ nhẹ. Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm trong xử lý carbon do vật liệu dễ bị tắc nghẽn.

Bộ lọc sinh học Anoxic.

Bộ lọc sinh học cũng có thể sử dụng trong việc khử nitrat, kết hợp xử lý nitrat hóa thứ cấp tăng trưởng lơ lửng hoặc dính bám. Sự khác biệt chính giữa các bộ lọc hiếu khí và anoxic là không có hệ thống xử lý không khí và kích thước vật liệu đầu vào.

• Khử nitro ngược dòng – tiền anoxic: nitrat hóa nằm ở hạ lưu của vòng tuần hoàn nitrat. Hiệu suất khử nitrat sẽ phụ thuộc vào tốc độ tuần hoàn, COD phân hủy sinh học và trên tỷ lệ COD/TKN của nhân tố ảnh hưởng.
• Hậu Anoxic: trong trường hợp không có carbon hữu cơ phân hủy sinh học nào được tiêu thụ bởi hệ thống hiếu khí ngược dòng, cần lấy nguồn carbon, methanol, acetate ở bên ngoài.

Quá trình tăng trưởng kết hợp trong tăng trưởng vi sinh dính bám

Các quy trình khác nhau tồn tại trong đó vật liệu hỗ trợ nằm trong bể sục khí bùn hoạt tính.

Những vật liệu này có mật độ tương tự như nước, kích thước kiêm tốn và được đạt ở lưu vực duy trì quá trình khuấy. Với diện tích bề mặt riêng lớn trên 1000m²/m³. Chúng có khă năng hỗ trợ tạo màng sinh học mình đáng kể. Do đó, làm giảm kích thước của bể. Quá trình cần cung cấp đủ các yếu tố sau để đảm bảo công việc hoạt động:

• Vỉ lưới tốt tránh tắc nghẽn.
• Vỉ lưới có giá đỡ di động nằm ở đầu ra của các bể phản ứng.
• Sục khí để tránh tích lũy vật liệu và duy trì hoạt động của các vỉ lưới.

Các cấu hình có thể thực hiện bao gồm

IFAS – Tích hợp màng cố định bùn hoạt tính:

Vật liệu hỗ trợ được đưa vào các bể phản ứng ở mức trung bình từ 45 – 60%. Được kết hợp hệ thống phân tách thông thường. Không có đặc điểm kỹ thuật cụ thể.

Quá trình này có hiệu suất tương đương với quá trình bùn hoạt tính tiêu chuẩn. IFAS áp dụng cho các loại nước thô giống như bùn hoạt tính thông thường. Sự tăng trưởng xảy ra ở mức độ chừng mực vì mật độ sinh khối sẽ cao hơn so với dung dịch bùn hoạt tính. Cụ thể, cần điều chỉnh trong trường hợp cải tạo cơ sở bị hạn chế bề mặt. Tăng tải carbon hoặc nitro, hoặc mục tiêu chất lượng xả thải nghiêm ngặt hơn.

• MBBR – Phản ứng màng sinh học di chuyển:

Tỷ lệ vật liệu cũng như IFAS được đưa vào ở mức trung bình khoảng 60%.

Bể phản ứng MBBR cho phép loại bỏ ô nhiễm carbon và nitro với tải trọng cao. Để phân tách với bản chất của khối sinh học bắt buộc phải cung cấp Greendaf. Vì sinh khối được cố định trên giá đỡ, không có tuần hoàn nào được thực hiện. Điều đó có nghĩa là không có sự tích lũy sinh khối tự do trong bể phản ứng. Quá trình này được áp dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và y tế.

Bài viết về tăng trưởng vi sinh dính bám của Nihophawa trên đây hi vọng phần nào có thể giúp các bạn hiểu thêm về quá trình xử lý nước thải y tế của công ty. Nếu quý khách có nhu cầu lắp đặt và thi công hệ thống xử lý nước thải y tế phòng khám, bệnh viện, quý khách có thể để lại thông tin. Công ty sẽ trực tiếp liên hệ và tư vấn cụ thể