Nghiên cứu lựa chọn giá thể tự do (MBBR) phù hợp với xử lý nước thải sản xuất giấy bao bì
Giá thể sinh học tự do (MBBR) đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Để nâng cao hiệu quả xử lý sinh học tại hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy sản xuất giấy bao bì với tiêu chí dễ áp dụng, không phải cải tạo hệ thống thì giải pháp ứng dụng MBBR là phù hợp.
Nghiên cứu tiến hành lựa các giá thể phù hợp với nước thải sản xuất giấy bao bì trong số các giá thể đặc trưng đang được sử dụng rộng rãi. 2 loại giá thể có đều màu trắng, hình trụ tròn, bằng nhựa HDPE, khối lượng riêng 60 kg/m3, xuất xứ Nhật Bản. Các đặc trưng riêng của giá thể khác nhau về kích thước loại thứ nhất có đưởng kính D =8mm; chiều cao H = 6mm; diện tích bề mặt riêng 950 m2/m3; loại giá thể thứ 2 đường kính D =25mm; chiều cao H = 10mm; diện tích bề mặt riêng 895 m2/m3. Hiệu quả xử lý BOD lần lượt là 90,44 và 89,63%; và COD lần lượt là 94,74 và 94,84%. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để tiến hành thử nghiệm tại các nhà máy sản xuất giấy bao bì.
Từ khóa: Bể sinh học hiếu khí; Giấy bao bì; Giá thể sinh học; MBBR.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Một trong những công nghệ đã và đang được nghiên cứu ứng dụng là giá thể tự do MBBR. MBBR (viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor) - Là công nghệ bùn hoạt tính áp dụng kĩ thuật vi sinh bám dính trên lớp giá thể sinh học tự do [12]. Công nghệ này có được ưu thế của cả quá trình bùn hoạt tính và màng sinh học [6, 10]. Nồng độ sinh khối trong MBBR dễ tăng lên bởi sự hỗ trợ của vật liệu làm giá màng hay còn gọi là giá thể sinh học [5, 13]. Hệ thống này có thể chịu được nồng độ sinh khối cao, thời gian lắng nhanh hơn. Hơn nữa, MBBR có khả năng phục hồi nhanh trong các điều kiện bị sốc tải hoặc nhiễm độc tố [9, 13]. Quá trình bong tróc màng luôn xảy ra, nó được xem như là quá trình tự làm mới. Khi dòng nước thải lưu thông với điều kiện được sục khí, giá thể cũng được chuyển động, sự tiếp xúc màng lọc trên giá thể sinh học liên tục giúp kiểm soát sự phát triển của màng sinh học [7].
Với công nghệ MBBR tại các nhà máy sản xuất giấy bao bì có thể lựa chọn và tận dụng bể hiếu khí, không phải cải tạo, đầu tư xây mới hay cài đặt các chế độ hoạt động tốn kém, dễ dàng triển khai áp dụng.
Tại Việt Nam, với những ưu điểm vượt trội, công nghệ MBBR đã chứng minh được rằng hiệu quả xử lý của nó có thể xử lý được nhiều loại nước thải, trong đó có nước thải sản xuất mía đường, nước thải sản xuất bia, nước thải sinh hoạt, nước rỉ rác [1],... Tuy nhiên đến nay, chưa có nghiên cứu, thử nghiệm hay ứng dụng công nghệ MBBR trong xử lý nước thải sản xuất giấy và đặc biệt là nhà máy sản xuất giấy bao bì tại Việt Nam.
Với mục tiêu của nghiên cứu này là nâng cao hiệu quả xử lý nước thải tại bể xử lý sinh học của hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất giấy bao bì. Lựa chọn loại giá thể MBBR phù hợp với các thông số đặc trưng (diện tích bề mặt, hình dạng, kích thước, độ xốp, khối lượng riêng, độ thấm nước) để ứng dụng có hiệu quả tại bể xử lý sinh học của hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất giấy bao bì. 
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Sơ đồ thí nghiệm
Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm: (1): Bể điều hòa V = 40 lít; (2) Bể phản ứng V = 10 lít; (3) Máy thổi khí; (4) Van điều chỉnh lưu lượng nước
Bể phản ứng là các bình nhựa 10 lít, thể tích làm việc V = 8 lít, có hình dạng trụ tròn, đường kính D = 20cm, chiều cao H= 50cm. Các bể có hệ thống sục khí đáy điều chỉnh được với tốc độ 2 - 20 lít/phút.
2.2. Vật liệu nghiên cứu
Nguồn nước thải từ đầu vào bể xử lý sinh học của hệ thống xử lý nước thải sản xuất giấy bao bì Công ty Cổ phần Giấy Vạn Điểm. Giá trị trung bình các thông số đặc trưng của nước thải là pH là 7,8 (7,3 - 8,1); BOD5 là 438 mg/l (391-635 mg/l); COD là 1342 mg/l (1134 - 2542 mg/l); Vi sinh từ bùn hoạt tính của bể sinh học hiếu khí. Cơ chất sử dụng cho thí nghiệm là khoáng chất đa lượng NaHCO3; CaCl2.2H2O; MgSO4.7H2O; FeCl3. Khoáng chất vi lượng 0,1% H3BO3; CoCl2.6H2O; CuSO2.5H2O; FeCl3.6H2O; MnCl2.2H2O; Na2Mo4O24.2H2O; ZnSO4.7H2O; KI, đường kính (hoặc glucoza, mantoza), Pepton, MgSO4.7H2O và KH2PO4. Tỷ lệ dinh dưỡng luôn đạt COD:N:P = 100:5:1. 
2.3. Giá thể MBBR
Giá thể được lựa chọn thí nghiệm có đặc tính cơ bản và hình dạng được trình bày trong Bảng 1.
2.4. Tạo màng trên giá thể
Vi sinh vật sau khi được bổ sung vào các bình thí nghiệm, cung cấp oxy và khí 24/24h. Hằng ngày thay 50% thể tích nước, áp dụng quy trình startup màng sinh học trong 21 ngày [2]. Tiến hành chạy ổn định hệ thống 7 - 10 ngày, các bể phản ứng tối thiểu 30 ngày. Thời gian chuẩn bị tạo màng trên giá thể trước thời gian bắt đầu thí nghiệm 30 ngày.
2.5. Phương pháp tiến hành
Khi có màng giá thể giá thể được tạo ở mục 2.4, tiến hành các thí nghiệm.
Thí nghiệm 1: lựa chọn loại giá thể phù hợp. Mỗi bình phản ứng được đổ đầy giá thể với V = 30% thể tích. Quá trình cấp khí 24/24h với tốc độ 2 lít/phút cho đến khi thay mẻ nước thải tiếp theo. Khi thay nước, quá trình cấp khí sẽ dừng lại với thời gian 30 phút để bùn tách ra khỏi nước thải. Trong khoảng thời gian dừng cấp khí trước khi tiến hành thu mẫu sinh khối, giá thể có dính bám màng, thu mẫu nước thải. Duy trì pH 6,8 - 7,5 trong thí nghiệm. Nhiệt độ thí nghiệm ổn định khoảng 25 - 280C. Tỷ lệ dinh dưỡng C:N:P là 100:5:1. Thời gian thí nghiệm 30 ngày, tần xuất thu mẫu là 1 lần/ngày với các chỉ tiêu theo dõi và phân tích là pH, Nhiệt độ ,TSS, BOD và COD.
Thí nghiệm 2: đánh giá chất lượng nước và hiệu suất xử lý của bể phản ứng đối với giá thể được lựa chọn. Sau khi lựa chọn được loại giá thể phù hợp, giữ lại bể phản ứng của giá thể đó và tiến hành thí nghiệm. Phương pháp tiến hành giống thí nghiệm 1. Thời gian tiến hành là 7 ngày. Tần suất thu mẫu 1 ngày/lần với chỉ tiêu pH, Nhiệt độ ,TSS, BOD và COD.
2.6. Phương pháp thu và phân tích mẫu
Các thông số đo nhanh: Nhiệt độ, DO, pH được đo bằng các thiết bị chuyên dụng như máy pH cầm tay Hanna; máy đo DO của YSI (Mỹ); BOD theo phương pháp 5210B; COD theo phương pháp 5220B [4]. Sự phát triển màng sinh học được quan sát trên kính hiển vi EZ40_LEIKA và điện tử quét (Nova Nano SEM).
Bảng 1. Mô tả một số đặc tính cơ bản của các giá thể sử dụng nghiên cứu
2.7. Đánh giá và xử lý số liệu
Số liệu được cập nhật, đồ thị được vẽ bằng phần mềm Excel. Xử lý thống kê, đánh giá độ tin cậy của số liệu, biểu đồ xác định các giá trị tối ưu bằng phần mềm SPSS-MBI 21.1.
Đánh giá hiệu quả của bể phản ứng, sự phát triển màng sinh học bằng phương trình Monod ứng dụng trong bể phản ứng MBBR với tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật là tốc độ chuyển hóa VCR [11].
Trong đó: VCR là tốc độ chuyển hóa riêng phần màng sinh học trên giá thể (g/m3/ngày), COD vào là tổng hàm lượng COD vào bể phản ứng (g/m3), COD ra là tổng hàm lượng COD ra khỏi bể phản ứng (g/m3). Qr là lưu lượng nước chảy qua bể phản ứng (m3/ngày) và Vm là tổng thể tích của giá thể (m3).
Đánh giá tối ưu hóa các thông số vận hành bằng phần mềm phân tích thống kê SPSS, lựa chọn điểm có giá trị tối ưu sau khi chạy mô hình “Compare Mean” với 1 thông số. Phương trình tối ưu hóa các thông số được phân tích mối quan hệ tương quan, lựa chọn các thông số có mối quan hệ tương quan R2> 0,5. Thiết lập phương trình mô hình tối ưu hóa bằng hàm Regestion trên phần mềm Excel.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Lựa chọn loại giá thể
Hiệu quả của loại giá thể dựa trên khả năng dính bám và sự phát triển của vi sinh vật trên giá thể. Sự chuyển hóa của vi sinh vật trên giá thể là lượng cơ chất hình thành sinh khối và được tính theo phương trình Monod. Tốc độ chuyển hóa COD được sử dụng để tính toán hiệu quả của quá trình xử lý là VCR. Giá trị VCR đạt được của thí nghiệm với 5 loại giá thể được thống kê tổng hợp. (Bảng 2)
Bảng 2. Thống kê giá trị tốc độ chuyển hóa VCR (kg/m3.ngày) và giá thể nghiên cứu (số mẫu n = 30)
Kết quả nghiên cứu giá trị tốc độ chuyển hóa VCR (kg/ m3.ngày) và loại giá thể được trình bày trong bảng 2 cho thấy, xét giá trị trung bình của VCR của giá thể 3 và 5 lần lượt đạt 3,58 ±0,12 và 3,39 ± 0,12 cao hơn so với các giá thể còn lại. Xét giá trị ở giữa các số liệu, giá thể 3 và 5 lần lượt là 3,45 ± 0,52 và 3,44 ± 0,55 cao hơn các giá thể còn lại. Xét giá trị thường xuyên xuất hiện, giá thể 3 và 5 là 3,57 và 3,68 cao hơn giá thể còn lại. Xét phương sai giá thể 3 và 5 có giá trị lần lượt là 0,27 và 0,20 thấp hơn so với các giá thể khác. Xét giá trị lớn nhất và nhỏ nhất, giá thể 3 và 5 đều lớn hơn các giá thể còn lại.
Như vậy, giá thể phù hợp được lựa chọn là giá thể số 3 và 5. Loại giá thể 3 với đặc trưng cơ bản: diện tích bề mặt tiếp xúc 700 - 850 m2/m3; hình trụ, đường kính 8x10mm; làm bằng vật liệu nhựa HDPE; khối lượng riêng 60kg/m3; đường kính D =25mm; chiều cao H = 10mm. Loại giá thể 5 có diện tích bề mặt riêng 895 m2/m3, khối lượng riêng 60 kg/m3, bẳng nhựa HDPE. Cả hai loại giá thể đều có cấu trúc nhiều vách ngăn, dạng tổ ong để tăng khả năng dính bám và có xuất xử từ Nhật Bản. 
3.2. Mối quan hệ giữa tốc độ chuyển hóa VCR và nồng độ COD
Để đánh giá tốc độ sinh trưởng của sinh khối, xem xét mối quan hệ giữa tốc độ chuyển hóa VCR với nồng độ COD của giá thể 3 và 5. Kết quả nghiên cứu được trình bày ở Hình 1. Qua Hình 1 cho thấy tốc độ chuyển hóa của các giá thể 3, 5 đều tăng theo phương trình hàm mũ với giá trị tương quan rất chặt với R2 lần lượt là 0,94 và 0,86.
Hình 1: Phương trình mối quan hệ giữa tốc độ chuyển hóa VCR và COD của giá thể 3 và 5
Như vậy, khi thay giá trị biến “y” là VCR và biến “x” là nồng độ COD vào phương trình trên đồ thị sẽ thiết lập được hàm số biến thiên của VCR theo nồng độ COD. Phương trình hàm mũ với giá thể (GT3) và (GT5) lần lượt theo 2 phương trình 1 và 2. Các điều kiện của bể phản ứng là pH = 7; tốc độ sục khí 2 lít/phút và tỷ lệ dinh dưỡng C:N:P là 100:5:1.
Giá thể 3: VCR (kg/m3.ngày) = 3,395ln(COD vào) - 17,992 (3.1)
Giá thể 5: VCR (kg/m3.ngày) = 3,552ln(COD vào) - 19184 (3.2)
3.3. Sự phát triển màng sinh học
Kết quả quan sát màng dính bám trên kính hiển vi điện tử thường và điện tử quét (SEM) được thể hiện ở Hình 2. Quan sát trên kính hiển vi thường (hình 3A và C) với độ phóng đại 2x (giá thể 3) và 5x (giá thể 5) thấy được màng sinh học dính bám vào giá thể. Trên kính hiển vi điện tử quét, hình 3C của giá thể 3 với độ phóng đại 250x và hình 3D của giá thể 5 với độ phóng đại 500x đều nhìn rõ cấu trúc lớp màng bám dày và thể hiện rõ 3 lớp hiếu khí (ngoài cùng); thiếu khí (lớp giữa) và lớp kỵ khí (trong) trên 1 giá thể. Màng sinh học phát triển dính bám được lấp đầy trong các lỗ rỗng.
Hình 2: Hình ảnh sự phát triển màng sinh học (A và B màng sinh học giá thể 3; C và D màng sinh học giá thể 5)
3.4. Hiệu quả xử lý nước thải
Kết quả xử lý nước thải được trình bày trong Bảng 3 cho thấy, chất lượng nước có thông số trung bình đã đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 12:2015/BTNMT (cột A). Một số giá trị lớn nhất như BOD có mẫu đạt 43 mg/l và COD 120 - 130 mg/l . Các giá trị này sẽ giảm khi qua hệ thống lọc cấp 3 khi ứng dụng tại nhà máy. Do nghiên cứu này chỉ khảo sát bể phản ứng, không thiết lập hệ thống xử lý cấp 3 nên không qua hệ thống lọc. (Bảng 3)
Kết quả về hiệu quả xử lý đối với các thông số BOD và COD được trình bày trong Bảng 4 cho thấy, hiệu suất xử lý trung bình của BOD của giá thể 3 và 5 lần lượt là 90,44 và 89,63%; hiệu suất xử lý trung bình đối với COD lần lượt là 94,74 và 94,84%. Các thông số đánh giá thống kê xác định mức độ tin cậy của dữ liệu được trình bày chi tiết trong Bảng 4.
Bảng 3. Chất lượng nước sau xử lý của bể phản ứng MBBR của GT3 và GT5
Bảng 4. Hiệu suất xử lý (%) của bể phản ứng MBBR của GT3 và GT5
Tóm lại:
Giá thể đóng vai trò quan trọng đến hiệu quả của bể phản ứng MBBR. Các yếu tố quan trọng của giá thể là diện tích bề mặt, hình dạng, kích thước, độ xốp, trọng lượng riêng, độ thấm hút,... Giá thể’ có tỷ trọng nhẹ hơn nước, có khả năng nổi, lơ lửng và chuyển động trong nước dưới tác động của lực đảo nước bởi thiết bị cấp khí hoặc cánh khuấy nên mật độ vi sinh tái tạo tăng và hiệu quả xử lý [8]. Giá thể MBBR nên có khối lượng riêng < 1g/cm3, có hình dạng hình trụ tròn với đường kính D = 10mm, chiều cao 8mm với nhiều vách ngăn, diện tích bề mặt riêng 750m2/ m3 có
hiệu quả cao [14]. Giá thể được làm từ polyethylene, polyvinyl alcohol gels, than hoạt tính dạng hạt, polymer dạng bọt, ... đã được khẳng định là phù hợp với bể phản ứng MBBR. Các loại giá thể sử dụng trong bể MBBR đã khả năng loại bỏ 94,96% đối với COD; 99,07% đối với BOD và 87,32% đối với TOC [3]. Zhang và ctv (2016); Deng và ctv (2016) cho rằng polymer bọt biển có khả năng loại bỏ COD là 97,52 ± 1,63% và NH4+- N là 95,3 ± 4,6%, và polymer bọt biển có độ xốp cao, có khă năng cố định cộng đồng vi sinh vật lớn, do đó có khả năng tạo thành màng sinh học lớn trên giá thể [3, 8].
Với nghiên cứu này, hiệu quả xử lý COD đạt ~ 95%, thấp hơn không nhiều so với nghiên cứu trước đây. BOD ~ 90%, cao hơn không nhiều so với nghiên cứu của Zang và Deng năm 2016. Riêng với giá thể bằng polymer xốp (giá thể 4 có diện tích bề mặt riêng rất lớn), nghiên cứu này đã thử nghiệm nhưng hiệu quả xử lý chưa cao. Nghiên cứu này sẽ tiếp tục được thực hiện trong thời gian tới.
IV. KẾT LUẬN
Qua nghiên cứu, nhóm thực hiện nhiệm vụ đã chọn 2 loại giá thể phù hợp với nước thải sản xuất giấy bao bì, hiệu suất xử lý nước thải của 2 loại giá thể này đối với BOD là 90,44 - 89,63% và COD là 94,74 - 94,84%. 2 loại giá thể bao gồm:
- Giá thể màu trắng, hình trụ tròn, đưởng kính D =8mm; chiều cao H = 6mm; diện tích bề mặt riêng 950 m2/m3, khối lượng riêng 60 kg/m3, bằng nhựa HDPE, có xuất xứ Nhật Bản.
- Giá thể màu trắng, hình trụ tròn, đưởng kính D =25mm; chiều cao H = 10mm; diện tích bề mặt riêng 895 m2/m3, khối lượng riêng 60 kg/m3, bằng nhựa HDPE, có xuất xứ Nhật Bản.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được hỗ trợ kinh phí từ Đề tài cấp Nạp Tiền 188bet
theo Hợp đồng số 033.19.ĐT.BO/HĐKHCN. Chúng tôi chân thành cảm ơn Nạp Tiền 188bet
đã tạo điều kiện giúp đỡ để hoàn thành tốt kết quả nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân (2017), Khảo sát thời gian lưu nước của bể MBBR để xử lý nước thải sản xuất mía đường. Tạp chí Khoa học trường Đại Học Cần Thơ. Số chuyên đề: Môi trường và Biến đổi khí hậu (1), trang 173-180.
2. Nguyễn Thị Thu Hiền (2012), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học tuần hoàn nước ương nuôi giống cá biển, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật Môi trường, Viện Công nghệ Môi trường, Hà Nội, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
3. Adabju, S. (2013), Specific moving bed biofilm reactor for organic removal from synthetic municipal wastewater, University of Technology, Sydney Faculty of Engineering
4. APHA (2017), Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association, USA.
5. Bassin, J.P., M. Dezotti, and G.L. Sant'Anna Jr. (2011), Nitrification of industrial and domestic saline wastewaters in moving bed biofilm reactor and sequencing batch reactor. Journal of hazardous materials. 185(1): p. 242-248.
6. Chu, L. and J. Wang (2011), Nitrogen removal using biodegradable polymers as carbon source and biofilm carriers in a moving bed biofilm reactor. Chemical Engineering Journal. 170(1): p. 220-225.
7. Dupla, M., et al., 2006, Design optimization of a self-cleaning moving-bed bioreactor for seawater denitrification. Water research. 40(2): p. 249-258.
8. Goode, C. (2010), Understanding biosolids dynamics in a moving bed biofilm reactor, Journal, Issue,p
9. Javid, A., et al. (2013), Feasibility of utilizing moving bed biofilm reactor to upgrade and retrofit municipal wastewater treatment plants. International Journal of Environmental Research. 7(4): p. 963-972.
10. Leyva-Díaz, J., et al. (2013), Comparative kinetic study between moving bed biofilm reactor-membrane bioreactor and membrane bioreactor systems and their influence on organic matter and nutrients removal. Biochemical engineering journal. 77: p. 28-40.
11. Pfeiffer, T. and R. Malone (2006), Nitrification performance of a propeller-washed bead clarifier supporting a fluidized sand biofilter in a recirculating warmwater fish system. Aquacultural engineering. 34(3): p. 311-321.
12. Piculell, M. (2016), New Dimensions of Moving Bed Biofilm Carriers: Influence of biofilm thickness and control possibilities, Department of Chemical Engineering, Lund University,
13. Shore, J.L., et al. (2012), Application of a moving bed biofilm reactor for tertiary ammonia treatment in high temperature industrial wastewater. Bioresource technology. 112: p. 51-60.
14. Zhang, X., et al. (2016), Effect of filling fraction on the performance of sponge¬based moving bed biofilm reactor. Bioresource technology. 219: p. 762-767.
1NGUYỄN THỊ THU HIỀN - Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô
2NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THANH, TẠ THANH TÙNG, TRƯƠNG MINH HIẾU - Lớp ĐH6M3, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường
(Bài đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 41 tháng 4 năm 2020)
Copy link
