Công nghệ AFBR (Advance Fixed Bed Reactor) là một công nghệ được phát triển từ công nghệ FBR (Fixed Bed Reactor - công nghệ xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H₂S, sunfit, ammonia, nitơ…) được bổ sung hệ thống sensor cảm biến DO và hệ thống điều khiển tự động hệ thống cung cấp dưỡng khí giúp điều chỉnh hàm lượng oxi trong nước luôn ở nồng độ tối ưu đem lại hiệu quả xử lý vượt trội đồng thời tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển, hệ thống FBR (Fixed Bed Reactor) áp dụng tích hợp cả 3 quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng, quá trình tuỳ nghi khử nitơ phốt pho và quá trình vi sinh vật sinh trưởng ở dạng dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong hệ thống. Điều kiện để áp dụng quá trình FBR (Fixed Bed Reactor) đòi hỏi cần có sự phân lập và phối hợp cộng sinh hiệu quả của 3 chủng vi sinh hoạt tính lơ lửng, tuỳ nghi và dính bám.

Chủng vi sinh hoạt tính lơ lửng: achromobacter, alcaligenes, arthrobacter, citromonas, flavobacterium, zoogloea…

Chủng vi sinh tuỳ nghi: nitrosomonas, nitrobacter, nitrosospira, dethiobacillus, siderocapsa, methanonas, spirillum, denitrobacillus, moraxella, thiobacillus, pseudomonas …

Chủng vi sinh dính bám: arcanobacterium pyogenes, staphylococcus aureus, staphylococcus hyicus, streptococcus agalactiae, corynebacterium

Công nghệ AFBR thích hợp ứng dụng trong các lĩnh vực xử lý nước thải cao ốc, khách sạn resort và chung cư nhằm tiết kiệm diện tích xây dựng và giảm chi phí vận hành hệ thống.

Hệ thống FBR được GREE áp dụng thành công tại cao ốc 4S River Side Garden

Bên cạnh đó công nghệ AFBR cũng được kết hợp với công nghệ hoá lý và hoá học trong hệ thống xử lý nước thải khu công nghiệp. Công nghệ AFBR khi kết hợp với công nghệ ABNR (Advance Biological Nutrient Removal) sẽ nâng cao hiệu quả xử lý nước thải ngành thực phẩm có hàm lượng hữu cơ cao.

Hệ thống xử lý nước thải AFBR/ABNR công suất 500m3/ngày được áp dụng thành công tại nhà máy chế biến thủy sản Lenger Seafood

Bảng 1. So sánh ưu và khuyết điểm của công nghệ AFBR với các công nghệ xử lý nước thải hiện có

Cơ sở khoa học của công nghệ AFBR

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật.

• Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật;

• Khuyếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào;

• Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng.

Quá trình xử lý sinh học trong hệ thống AFBR gồm ba giai đoạn sau:

Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO₂, H₂O, NO₃-, SO42, … Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm nhiều loại vi khuẩn khác nhau cùng tồn tại.

Quá trình bùn hoạt tính lơ lửng

Quá trình bùn hoạt tính lơ lửng trong hệ thống AFBR với sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Tốc độ sử dụng oxy hòa tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào: Tỷ số giữa lượng thức ăn (CHC có trong nước thải) và lượng vi sinh vật: tỷ lệ F/M; Nhiệt độ; Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của vi sinh vật; Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất; Lượng các chất cấu tạo tế bào; Hàm lượng oxy hòa tan.

Quá trình sinh học tăng trưởng dính bám

Chất hữu cơ sẽ bị phân hủy bởi quần thể vi sinh vật dính bám trên lớp vật liệu lọc. Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 - 0,2 mm và bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đó lượng oxy sẽ bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp màng sinh vật. Như vậy, môi trường tuỳ nghi được hình thành ngay sát bề mặt vật liệu lọc.

Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hóa chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc. Kết quả là vi sinh vật ở đây bị phân hủy nội bào, không còn khả năng dính bám lên bề mặt vật liệu lọc và bị rửa trôi.

Trong quá trình vận hành một hệ thống xử lý nước thải, chi phí vận hành đáng kể nhất của là chi phí điện năng và hoá chất tiêu thụ. Hệ thống phân phối khí bọt mịn trong hệ thống AFBR được thiết kế có thể tăng lượng ôxy hoà tan trong nước lên đến 28%.

Quá trình thực hiện đạt hiệu quả cao có thể tiết kiệm điện năng tiêu thụ cho hệ thống cung cấp dưỡng khí khoảng 40%. Hơn nữa, AFBR có thể giảm thiểu việc sử dụng hoá chất bằng cách tăng nồng độ MLSS của các chủng vi sinh nuôi cấy.

Hệ thống AFBR có khả năng điều chỉnh giảm công suất máy thổi khí trong thời gian đầu khi dự án đi vào quá trình hoạt động mà vẫn chưa hoạt động hết công suất giúp tiết kiệm chi phí vận hành và bảo trì luôn ở mức thấp nhất.

Quá trình khử nitơ (N)

Các hợp chất nitrogen (N) và phosphorus (P) trong nước thải là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng. Trên thế giới phương pháp phổ biến để loại bỏ P ra khỏi nước thải vẫn là phương pháp lý hoá kết hợp với chi phí xử lý cao.

Quá trình nitrat hoá được diễn ra trong hai bước, bắt đầu bằng ammôniắc được chuyển thành nitrít bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó nitrít bị ôxy hoá thành nitrát do vi khuẩn Nitrobacter. Hai loại vi khuẩn này có khả năng tự dưỡng trong hệ thống AFBR và sử dụng nguồn carbon dioxide làm nguồn carbon trong tế bào của chúng theo sơ đồ phản ứng:

2H⁺ + NH₃ + 2e^- + O₂ → NH₂OH + H₂O (1)

NH2OH + H2O → HNO2 + 4H⁺ + 4e^- (2)

Dưới tác dụng của cuả hai chủng vi sinh trên NH₃ sẽ được oxi hoá trở thành NO₂ và NH=OH và sản phẩm sau cùng là NO₂.

2H⁺ + 0.5O₂ + 2e^- → H₂O (3)

Về mặt động học phân tử, 2 electron được sinh ra từ phản ứng số (2) sẽ được sử dụng cho phản ứng số (1) và 2 electron còn lại sẽ đóng vai trò vận chuyển năng lượng cho giai đoạn cuối của quá trình oxi hoá bằng cách tạo ra một động lực proton.

2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O (4)

Quá trình oxi hoá nitrite:

NO₂- + 0.5O₂ → NO₃- (5)

Quá trình khử nitrat Dưới tác động của các chủng vi khuẩn khử nitrat như denitrobacillus, moraxella, thiobacillus, pseudomonas… nitrate và nitrite sẽ được chuyển hoá thành N2O và nitơ tự do theo các phương trình phản ứng sau:

6NO₃- + 2CH₃OH → 6NO₂- + CO₂ + 4H₂O (6)

6NO₂- + 3CH₃OH → 3N₂ + 3CO₂ + 6OH^- (7)

Quá trình khử phốtpho (P)

Phốtpho là một nguyên tố chính rất quan trọng trong sự sống của mỗi tế bào, chiếm 1-3% tổng trọng lượng khô của mỗi tế bào vi sinh vật. Đối với con người, phốtpho là thành phần không thể thiếu trong cấu tạo di truyền AND, ARN.

Về mặt môi trường học, phốtpho là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hoá, hiện tượng ô nhiễm nguồn nước do sự gia tăng không kiểm soát và sự chết hàng loại của các loại tảo và thuỷ sinh.

Phốtpho còn là nguồn dưỡng chất đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng phát triển và sinh sản của các vi sinh vật trong hệ vi sinh cộng sinh AFBR. Trong hệ thống AFBR dưới tác động của hệ vi sinh cộng sinh, Phốtpho sẽ được chuyển hoá và xử lý theo các phương trình phản ứng sau:

H₂PO₄- → HPO ^2- + H⁺ (8)

H₂P₂O₇ + H₂O → 2H₃PO₄ (9)

H₃PO₄ → H₂PO ⁻ + H⁺ (10)

H₂PO4− → HPO ^2- + H⁺ (11)

HPO₄^2- → PO₄3- + H⁺ (12)

Việc loại bỏ nitơ và phốtpho theo phương pháp sinh học bằng công nghệ AFBR sẽ mang lại hiệu quả xử lý cao đồng thời tiết kệm chi phí vận hành. Các công trình xử lý dùng dùng công nghệ AFBR cũng gọn nhẹ và dễ hợp khối, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với các công trình xử lý trong dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam trong một tương lai không xa.