Trong nhiều hệ thống xử lý nước thải, khi lưu lượng hoặc tải lượng ô nhiễm tăng lên, bể sinh học hiện hữu có thể không còn đủ khả năng xử lý dù vẫn đang hoạt động. Xây dựng thêm bể là một phương án nhưng không phải công trình nào cũng có đủ diện tích, thời gian và chi phí để mở rộng.
Công nghệ IFAS được ứng dụng theo hướng kết hợp bùn hoạt tính với màng vi sinh phát triển trên giá thể. Nhờ duy trì đồng thời sinh khối lơ lửng và sinh khối bám dính, hệ thống có thể tăng lượng vi sinh tham gia xử lý trong cùng một thể tích bể. Tuy nhiên, IFAS không đơn giản là bổ sung giá thể vào bể sinh học mà cần được tính toán đồng bộ với tải lượng ô nhiễm, cấp khí, khuấy trộn, tuần hoàn bùn và khả năng tách bùn của toàn hệ thống.
IFAS là viết tắt của Integrated Fixed-film Activated Sludge, có thể hiểu là công nghệ bùn hoạt tính kết hợp màng vi sinh bám dính. Điểm đặc trưng của công nghệ này là trong cùng một hệ thống tồn tại đồng thời hai dạng sinh khối.
Dạng thứ nhất là sinh khối lơ lửng trong bùn hoạt tính. Lượng vi sinh này được duy trì thông qua quá trình tuần hoàn bùn từ bể lắng về bể sinh học, tương tự hệ thống bùn hoạt tính truyền thống.
Dạng thứ hai là sinh khối bám dính trên bề mặt giá thể và phát triển thành màng vi sinh. Giá thể giúp giữ lại thêm một lượng vi sinh trong bể mà không phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng tuần hoàn và lắng của bùn hoạt tính.
Trong thuật ngữ Fixed-film, khái niệm “fixed” dùng để chỉ màng vi sinh được giữ trên bề mặt vật liệu, không có nghĩa IFAS chỉ sử dụng giá thể cố định. Tùy theo phương án thiết kế, hệ thống có thể sử dụng giá thể cố định hoặc giá thể di động. Trong đó, giá thể di động được sử dụng khá phổ biến nhờ khả năng chuyển động và tiếp xúc linh hoạt với nước thải.
Việc kết hợp hai dạng sinh khối giúp IFAS khác với hệ bùn hoạt tính thông thường và MBBR. Hệ bùn hoạt tính duy trì vi sinh chủ yếu trong bùn lơ lửng, còn MBBR điển hình dựa chủ yếu vào màng vi sinh phát triển trên giá thể và thường không sử dụng tuần hoàn bùn để duy trì sinh khối chính. IFAS kết hợp cả hai cơ chế trong cùng hệ thống.
Nhờ màng vi sinh trên giá thể, IFAS có thể duy trì thêm những nhóm vi sinh có tốc độ sinh trưởng chậm, đặc biệt là vi sinh tham gia quá trình nitrat hóa amoni. Đây là một trong những lý do công nghệ này thường được xem xét khi cải tạo hệ thống cần nâng cao khả năng xử lý chất hữu cơ, amoni hoặc Tổng Nitơ.
.jpg)
Công nghệ IFAS trong xử lý nước thải
Nước thải sau các công đoạn tiền xử lý và điều hòa được đưa vào khu vực xử lý sinh học. Tại đây, bùn hoạt tính lơ lửng và màng vi sinh trên giá thể cùng tiếp xúc với nước thải và tham gia quá trình chuyển hóa chất ô nhiễm.
Sinh khối lơ lửng trong bùn hoạt tính phân hủy chất hữu cơ và thực hiện các quá trình sinh học tùy theo điều kiện của từng vùng xử lý. Trong khi đó, giá thể cung cấp bề mặt để một phần vi sinh bám lại và phát triển thành màng vi sinh.
Trong bể hiếu khí, hệ thống cấp khí cung cấp oxy cho cả sinh khối lơ lửng và sinh khối bám dính. Nếu sử dụng giá thể di động, dòng khí còn tạo chuyển động và giúp phân bố giá thể trong bể. Đối với vùng thiếu khí, thiết bị khuấy được sử dụng để duy trì khả năng tiếp xúc giữa nước thải, nguồn carbon, nitrat và màng vi sinh nhưng không làm tăng oxy hòa tan quá mức.
Sau quá trình sinh học, hỗn hợp nước và bùn được đưa sang bể lắng hoặc công trình tách bùn. Một phần bùn hoạt tính được tuần hoàn trở lại bể sinh học để tiếp tục duy trì sinh khối lơ lửng, phần bùn dư được đưa sang công đoạn xử lý bùn.
Giá thể và màng vi sinh được giữ lại trong bể. Đối với giá thể cố định, hệ thống cần khung đỡ và điều kiện phân phối dòng chảy phù hợp. Đối với giá thể di động, bể cần lưới chắn để ngăn giá thể trôi sang công trình phía sau, đồng thời hệ thống cấp khí hoặc khuấy phải bảo đảm giá thể chuyển động và phân bố tương đối đồng đều.
Màng vi sinh sẽ phát triển, già hóa và bong ra trong quá trình vận hành. Lượng sinh khối bong màng cùng với bùn hoạt tính được đưa sang công đoạn tách bùn. Vì vậy, khi cải tạo sang IFAS, khả năng lắng, tuần hoàn và xả bùn của các công trình phía sau cần được kiểm tra, không chỉ tập trung vào bể sinh học.
Cấu hình cụ thể của IFAS có thể thay đổi tùy theo đặc điểm nước thải và mục tiêu xử lý. Hệ thống có thể bố trí vùng thiếu khí, hiếu khí hoặc kết hợp nhiều giai đoạn nhằm xử lý đồng thời chất hữu cơ, amoni và nitơ.
Tùy phương án thiết kế, IFAS có thể sử dụng giá thể cố định hoặc giá thể di động. Hai nhóm giá thể khác nhau về cách bố trí, thiết bị phụ trợ và điều kiện vận hành. Những khác biệt này được phân tích cụ thể trong bài So Sánh Giá Thể Vi Sinh Cố Định Và Di Động Trong Xử Lý Nước Thải.
.jpg)
Nguyên lý hoạt động của công nghệ IFAS
Lợi thế đáng chú ý của IFAS là khả năng duy trì thêm sinh khối trong cùng một thể tích bể. Thay vì chỉ phụ thuộc vào vi sinh lơ lửng trong bùn hoạt tính, hệ thống có thêm lượng vi sinh phát triển trên giá thể để cùng tham gia xử lý.
Đặc điểm này tạo điều kiện để IFAS được xem xét trong các công trình cần nâng cao khả năng xử lý nhưng diện tích mở rộng hạn chế. Đối với hệ thống hiện hữu, một phần bể sinh học và thiết bị có thể tiếp tục được tận dụng nếu kết cấu, thể tích và năng lực của các hạng mục phụ trợ đáp ứng phương án cải tạo.
Màng vi sinh còn có khả năng duy trì những nhóm vi sinh sinh trưởng chậm trong bể. Khi oxy hòa tan, pH, độ kiềm, tải trọng và thời gian lưu phù hợp, sinh khối bám dính có thể hỗ trợ quá trình nitrat hóa và cải thiện khả năng xử lý amoni.
Việc giữ một phần vi sinh trên giá thể cũng giúp hệ thống ít phụ thuộc hơn vào khả năng lắng của toàn bộ sinh khối. Tuy nhiên, IFAS vẫn duy trì bùn hoạt tính tuần hoàn nên chất lượng bùn lắng và khả năng làm việc của bể lắng vẫn là những yếu tố quan trọng.
Bên cạnh các ưu điểm, IFAS có yêu cầu thiết kế và vận hành cao hơn so với việc sử dụng riêng bùn hoạt tính. Khi tổng lượng sinh khối trong bể tăng lên, nhu cầu oxy, khả năng khuấy trộn và lượng bùn phát sinh cũng có thể thay đổi. Máy thổi khí và hệ thống phân phối khí hiện hữu cần được kiểm tra trước khi bổ sung giá thể.
Nếu hệ thống sử dụng giá thể di động, lưới chắn phải có kích thước, kết cấu và vị trí phù hợp để giữ giá thể nhưng không gây cản trở dòng chảy. Việc phân bố khí không đều có thể làm giá thể tập trung tại một khu vực, giảm khả năng tiếp xúc và tạo vùng tích tụ bùn.
Đối với giá thể cố định, thiết kế cần kiểm soát mật độ bố trí, hướng dòng chảy và khả năng tiếp cận để kiểm tra hoặc vệ sinh. Nếu nước thải có TSS hoặc dầu mỡ cao, cặn có thể tích tụ trong các khe giá thể và làm giảm diện tích hoạt động thực tế.
IFAS cũng không thể khắc phục mọi nguyên nhân khiến hệ thống hoạt động kém. Nếu vấn đề xuất phát từ bể điều hòa không đáp ứng, thiếu oxy, thiết bị xuống cấp, nước thải có thành phần ức chế vi sinh hoặc bể lắng quá tải thì các yếu tố này phải được xử lý trước hoặc đồng thời với việc cải tạo công nghệ.
Bùn hoạt tính, MBBR và IFAS đều sử dụng vi sinh để xử lý chất ô nhiễm nhưng khác nhau chủ yếu ở cách duy trì sinh khối trong hệ thống.
|
Tiêu chí |
Bùn hoạt tính | MBBR | IFAS |
|
Sinh khối lơ lửng |
Là thành phần xử lý chính | Không phải thành phần được duy trì chủ động như hệ bùn hoạt tính | Được duy trì cùng sinh khối bám dính |
|
Màng vi sinh trên giá thể |
Không có | Là thành phần xử lý chính | Có và cùng tham gia xử lý |
|
Sử dụng giá thể |
Không | Có | Có |
|
Tuần hoàn bùn hoạt tính |
Có | Thông thường không sử dụng để duy trì sinh khối chính | Có |
|
Cách duy trì sinh khối |
Chủ yếu trong bùn lơ lửng | Chủ yếu trên bề mặt giá thể | Kết hợp sinh khối lơ lửng và bám dính |
|
Yêu cầu tách bùn |
Tách và tuần hoàn bùn hoạt tính | Tách sinh khối bong ra và chất rắn | Tách bùn, tuần hoàn bùn hoạt tính và tiếp nhận sinh khối bong màng |
|
Khả năng cải tạo bể hiện hữu |
Phụ thuộc khả năng tăng MLSS, cấp khí và bể lắng | Có thể áp dụng nếu bể và thiết bị phụ trợ phù hợp | Có lợi thể khi cần duy trì thêm sinh khối nhưng vẫn sử dụng hệ bùn hoạt tính |
|
Yêu cầu vận hành |
Kiểm soát bùn, oxy và tuần hoàn | Kiểm soát màng vi sinh, giá thể và cấp khí hoặc khuấy | Kiểm soát đồng thời bùn hoạt tính, màng vi sinh, giá thể và công đoạn tách bùn |
Có thể hiểu đơn giản, hệ bùn hoạt tính duy trì vi sinh chủ yếu trong bùn lơ lửng, MBBR duy trì phần lớn sinh khối cần thiết trên giá thể, còn IFAS kết hợp cả hai. Vì vậy, IFAS không phải tên gọi khác của MBBR và cũng không phải hệ bùn hoạt tính được bổ sung giá thể một cách tùy ý.
Việc lựa chọn công nghệ không nên dựa trên yếu tố công nghệ nào mới hơn mà cần căn cứ vào đặc điểm nước thải, tải lượng, mục tiêu xử lý, diện tích xây dựng và khả năng của các công trình hiện hữu.
IFAS phù hợp để xem xét khi hệ thống sinh học hiện hữu không còn đủ khả năng đáp ứng tải lượng nhưng việc xây dựng thêm bể gặp hạn chế về diện tích. Trường hợp này có thể xảy ra khi nhà máy tăng công suất sản xuất, công trình mở rộng quy mô hoạt động hoặc tải lượng nước thải thực tế cao hơn thiết kế ban đầu.
Công nghệ này cũng có thể được cân nhắc khi hệ thống cần tăng khả năng duy trì vi sinh nitrat hóa để hỗ trợ xử lý amoni. Tuy nhiên, hiệu quả chỉ đạt được khi bể có đủ oxy, độ kiềm, thời gian lưu và điều kiện môi trường phù hợp cho quá trình nitrat hóa.
Đối với mục tiêu xử lý Tổng Nitơ, việc bổ sung giá thể cần được xem xét cùng với cấu hình vùng thiếu khí, nguồn carbon, tỷ lệ tuần hoàn nitrat và oxy hòa tan. Tăng sinh khối không thể thay thế những điều kiện cần thiết của quá trình khử nitrat.
Trước khi lựa chọn IFAS, cần xác định nồng độ đầu vào, lưu lượng nước thải và tải lượng BOD, COD, amoni, nitơ tính theo kg/ngày. Các số liệu này là cơ sở để đánh giá lượng sinh khối cần duy trì, diện tích bề mặt giá thể và khả năng đáp ứng của thể tích bể hiện hữu.
Khả năng cấp khí là một trong những yếu tố cần kiểm tra đầu tiên. Máy thổi khí, đường ống và thiết bị phân phối khí phải đáp ứng đồng thời nhu cầu oxy của vi sinh và yêu cầu khuấy trộn trong bể. Nếu sử dụng giá thể di động, phân bố khí còn ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động và khả năng tiếp xúc của giá thể.
Nồng độ bùn hoạt tính, tuổi bùn SRT và tải trọng F/M cần được duy trì phù hợp với tải lượng thực tế và khả năng lắng. IFAS không loại bỏ yêu cầu kiểm soát bùn hoạt tính mà bổ sung thêm màng vi sinh như một thành phần cần theo dõi.
Đối với quá trình xử lý amoni, pH và độ kiềm cần được kiểm tra cùng oxy hòa tan. Khi độ kiềm không đáp ứng, hiệu quả nitrat hóa có thể giảm dù hệ thống đã duy trì được lượng vi sinh tương đối lớn.
Lưu lượng bùn tuần hoàn và lượng bùn dư phải được điều chỉnh để duy trì sinh khối lơ lửng nhưng không làm bùn tích tụ quá mức. Đồng thời, cần theo dõi khả năng lắng, lượng chất rắn đưa vào bể lắng và TSS đầu ra.
Màng vi sinh trên giá thể cũng cần được quan sát định kỳ. Màng quá mỏng có thể cho thấy điều kiện bám dính chưa ổn định, trong khi màng quá dày có thể làm giảm khả năng truyền oxy và cơ chất vào bên trong. Việc bong màng là hiện tượng tự nhiên nhưng lượng bong ra phải nằm trong khả năng tiếp nhận của công đoạn tách bùn.
Với giá thể di động, cần kiểm tra tỷ lệ lấp đầy, khả năng chuyển động, sự phân bố trong bể và tình trạng của lưới chắn. Với giá thể cố định, cần kiểm tra khung đỡ, phân bố dòng chảy, khả năng tích tụ cặn và điều kiện tiếp cận để bảo trì.
Khi hiệu quả xử lý giảm, cần đánh giá toàn bộ chuỗi công trình thay vì chỉ tăng lượng giá thể hoặc thay đổi riêng một thông số. IFAS chỉ phát huy hiệu quả khi bể sinh học, hệ thống cấp khí, tuần hoàn, tách bùn và điều kiện vận hành được tính toán đồng bộ.
IFAS là công nghệ kết hợp bùn hoạt tính với màng vi sinh phát triển trên giá thể, giúp hệ thống duy trì đồng thời sinh khối lơ lửng và sinh khối bám dính. Đặc điểm này tạo lợi thế trong một số trường hợp cần nâng cao khả năng xử lý hoặc cải tạo hệ thống khi diện tích mở rộng bị hạn chế.
Tuy nhiên, IFAS không đơn giản là bổ sung giá thể vào bể Aerotank. Hiệu quả của công nghệ phụ thuộc vào tải lượng ô nhiễm, loại và lượng giá thể, khả năng cấp khí, điều kiện khuấy trộn, tuần hoàn bùn và năng lực của công trình tách bùn phía sau.
Đối với các hệ thống cần nâng công suất, cải thiện khả năng xử lý amoni hoặc tận dụng bể sinh học hiện hữu, Đại Nam thực hiện khảo sát tải lượng, kiểm tra khả năng cấp khí, bể lắng và hệ thống tuần hoàn trước khi đề xuất IFAS. Phương án cải tạo được tính toán đồng bộ giữa công nghệ, giá thể, thiết bị phụ trợ và điều kiện vận hành thực tế, tránh bổ sung giá thể riêng lẻ nhưng không giải quyết được nguyên nhân chính của hệ thống.
