Modul thiết bị xử lý nước thải DVIS phân tán theo cơ chế “Plug and play – Cắm là chạy” do các chuyên gia tại Công ty cổ phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam (Vinse) và Viện khoa học kỹ thuật hạ tầng và môi trường (SIIEE) thuộc VUSTA
1. Giới thiệu và tóm tắt công trình
Modul thiết bị xử lý nước thải DVIS phân tán theo cơ chế “Plug and play – Cắm là chạy” do các chuyên gia tại Công ty cổ phần Xây dựng và Môi trường Việt Nam (Vinse) và Viện khoa học kỹ thuật hạ tầng và môi trường (SIIEE) thuộc VUSTA, nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Trịnh Xuân Đức và thạc sĩ Lê Anh Tuấn đồng chủ trì.
Quá trình nghiên cứu và chế tạo được thực hiện từ 2017 – 2020, thông qua các bước như sau: Nghiên cứu hiện trạng đặc trưng nước thải; Nghiên cứu chế tạo vật liệu mang DHY01; Tính toán thiết kế modul DVIS; Sản xuất chế tạo cơ khí và lắp đặt hoàn thiện; Nuôi cấy vi sinh lên vật liệu mang; Tiến hành chạy thử lấy các thông số kỹ thuật; Hoàn thiện và ứng dụng thực tế.
Cơ sở lý thuyết
Thiết bị xử lý nước thải DVIS sử dụng công nghệ lồng quay sinh học tiến sĩ Trịnh Xuân Đức nghiên cứu phát triển trên cơ sở lý thuyết và mô hình động học lai ghép của công nghệ màng vi sinh dính bám (Fixed biofilm reactor– FBR) kết hợp màng vi sinh bán chuyển động (Semi-Moving Bed Biofilm Reactor (S-MBBR)).
Công nghệ xử lý nước bằng kỹ thuật màng vi sinh bám dính (MBF) kết hợp với màng vi sinh bán chuyển động (S-MBBR) là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay để xử lý nước thải và nước sạch.
Công nghệ MBF sử dụng màng vi sinh bám dính để lọc các hạt bẩn và vi sinh vật từ nước thải hoặc nước sạch. Màng vi sinh bám dính được tạo ra từ vật liệu polymer hoặc sợi tổng hợp, và được trang bị các vi khuẩn và vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Khi nước thải hoặc nước sạch được đẩy qua các màng vi sinh bám dính, các chất hữu cơ và vi sinh vật sẽ bị phân hủy bởi vi khuẩn và vi sinh vật này.
Công nghệ S-MBBR sử dụng các màng vi sinh chuyển động để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải hoặc nước sạch. Các màng vi sinh chuyển động là các màng nhỏ có chứa các vi khuẩn và vi sinh vật, được đặt trong một hệ thống ở dạng phân tán. Khi nước thải hoặc nước sạch được đẩy qua các màng vi sinh chuyển động này, các chất hữu cơ sẽ được phân hủy bởi vi khuẩn và vi sinh vật trong các màng.
Kết hợp công nghệ MBF và S-MBBR cung cấp một giải pháp toàn diện để xử lý nước thải và nước sạch. Các màng vi sinh bám dính của MBF có khả năng loại bỏ các hạt bẩn lớn và các chất hữu cơ dạng phức tạp, trong khi các màng vi sinh chuyển động của MBBR có thể phân hủy các chất hữu cơ dạng đơn giản và phân tán hơn. Sự kết hợp này cung cấp hiệu quả cao và giảm thiểu được chi phí và thời gian xử lý nước thải và nước sạch.
Mô hình các phản ứng sinh hoá diễn ra trong các vật liệu mang đã được tiến sĩ Trịnh Xuân Đức trình bày như hình vẽ dưới đây. Cắt ngang lớp vật liệu mang vi sinh của thiết bị cho thấy được các quá trình phát triển của các tập đoàn vi khuẩn khác nhau theo chiều từ ngoài vào trong lõi của vật liệu đã thể hiện được 3 quá trình xử lý nước thải là hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí. Điều này là điểm rất mới trong các nghiên cứu về xử lý nước thải, nó mở ra cho việc phát triển một hệ thống xử lý tích hợp các quá trình phân huy trong cùng một bể thay vì phải 3 bể riêng biệt như các công nghệ chuyền thống. Đặc biệt hơn chính là quá trình xử lý amoni cũng được thực hiện đồng thời trên bề mặt vật liệu mang mà không xảy ra tranh chấp giữa các loại vi khuẩn với nhau. Điều này thực hiện được là nhờ đặc tính vô cùng hữu ích của vật liệu mang DHY01 do công ty Vinse chế tạo. Có thể lý giả chi tiết qua trình này như sau giai đoạn 1 đó là quá trình nitrat hoá amoni bởi các vi khuẩn hiếu khí trên bề mặt vật liệu, khí nitrat lập tức di chuyển vào bên trong lõi vật liệu do chênh lệch áp suất với tốc độ cao gấp 5 lần so với ô xi, khiến cho lớp thứ 2 rơi vào trạng thái thiếu khí tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn này phát triển tiền hành khử nitrat thành nitrit, tại lớp thứ 3 diễn ra quá trình khử nitrit thành nitro tự do, đây là quá trình phức tạp vì các vi khuẩn này cần cơ chất để thực hiện quá trình khử, nhưng do đặc tính kỵ khí ở lớp thứ 3 các vi khuẩn này chết đi cung cấp một lượng cơ chất cho quá trình khử nitrit đảm bảo 30-40% nhu cầu.
Vật liệu mang DHY01
Để có thể đảm bảo được mô hình động học nêu trên với 3 quá trình xử lý tích hợp trong một bể (trong cùng một điều kiện hiếu khí), nhóm tác giả đã thực hiện với loại vật liệu mang khác nhau để thử nghiệm và đã sáng tạo ra vật liệu mang DHY01 bằng vật liệu polyurethan (PU) dạng mút xốp có kích thước theo khối lập phương 1x1x1cm và 2x2x2cm, sau đó được đặt trong các quả cầu nhựa có đường kính 7,5 và 10cm như hình bên. Diện tích bề mặt của vật liệu được đánh giá qua phương pháp hình học với diện tích bề mặt vật liệu nằm trong khoảng từ 6000-8000 m2/m3. Diện tích bề mặt của chất mang sử dụng vào loại cao, kể cả khi so sánh nó với vật liệu cùng dạng xốp như BioChip là 3000 m2/m3, sản phẩm mới của Đức, hay vật liệu PAV-gel của Nhật là 2.500-3.000 m2/m3. Thì DHY01 vẫn có lợi thế của vật liệu có diện tích bề mặt lớn là tích lũy được mật độ sinh khối cao trong khi vẫn duy trì được chiều dày thấp của lớp màng vi sinh. Đặc trưng kỹ thuật của vật liệu mang DHY01 cụ thể như sau: Độ xốp của vật liệu mang: 92 – 96 %; Thể tích xốp: 28 – 34 cm3/g; Diện tích bề mặt: 6.000 – 8.000 m2/m3; Khối lượng riêng biểu kiến: 20 – 45 g/l; Thành phần phụ gia CaCO3: 20 %; Kích thước hình học của chất mang: Hai loại điển hình là 1,0cm x 1,0cm x 1,0cm và 2,0cm x 2,0cm x 2,0cm.
Thiết kế chế tạo thiết bị DIVS
Một hệ thống xử lý nước thải với rất nhiều các công đoạn khác nhau đã được nghiên cứu chi tiết để làm sao có thể tích hợp thành một thiết bị có thể chạy theo nguyên tắc “Plug & Play – Cắm là chạy”. Có nghĩa là tích hợp bể hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí vào trong một bể duy nhất. Việc đó đã được các kỹ sư của Vinse thực hiện nhờ công nghệ LỒNG SINH HỌC đó là đặt các quả cầu chứa vật liệu xốp và trong các lồng inox đục lỗ sau được đặt ngập 40% trong nước. Một động cơ để hỗ trợ chuyển động của lồng qua sẽ đưa vật liệu mang ngậm nước rồi vòng lên mặt thoáng để lấy ô xi với cơ thế như máy giặt các hạt vật liệu sẽ được vắt nước tạo các khoang trống cho không khí tràn vào và vi khuẩn hiếu khí được cấp ô xi, các thí nghiệm về vận tốc vòng quay đã được tiến hành để tìm đến điểm bão hoà ô xi trong bể phản ứng luôn đạt 6mg/l (mức bão hoà là 8mg/l). Số ngăn của lồng quay tối thiểu là 2 để đảm bảo không có dòng chảy tắt. Nước sau khi qua hệ thống lồng sinh học sẽ được bơm vào một hệ thống bể lọc chậm bằng vật liệu nổi có kích ở đây tiếp tục diễn ra các phản ứng sinh hoá. Cũng như làm sạch các cặn bùn do vi khuẩn sinh ra trong bể phản ứng sinh hoá. Nước sau khi xử lý được khử trùng bằng hệ thống clo tích hợp luôn trong bể để đảm bảo tiêu chuẩn cột A theo QCVN 14-2008/BTNMT.
Toàn bộ thiết bị xử lý nước thải được chết tạo sẵn bằng thép sơn epoxy, thép không rỉ hay bằng nhựa composit hoàn chỉnh cùng với hệ thống điện điều khiển tự động, bán tự động hay thủ công đều rất đơn giản và thuận tiện. Sau khi sản xuất xong tại xưởng thiết bị Dvis được tiến hành vận hành thật tại chỗ để kiểm tra và nuôi vi sinh vật dự kiến khoảng 2 tuần là co thể cung cấp cho khách hàng vận hành mà không cần quá trình khởi động.
Thiết bị xử lý nước thải DVIS được thiết kế để xử lý nước thải sinh hoạt mô hình phân tán cho các đối tượng như khu chung cư, cụm dân cư, khách sạn, bệnh viện, trường học, khu nghĩ dưỡng, làng nghề và các cụm công nghiệp.
2. Tính mới của sản phẩm
Các chuyên gia của viện SIIEE và VINSE đã nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải nhiều năm và cải tiến để có được những bước đột phá khác biệt hoàn toàn so với các công nghệ truyền thống và nó biểu hiện ở các tính mới như sau: (1) “Plug and play-Lắp xong là chạy” đó là tạo ra một thiết bị chỉ có đầu và ra mà không còn nhiều công đoạn phức tap. Một modul xử lý đồng bộ nước thải được tích hợp trong một thiết bị nhỏ gọn nhằm hoàn thành tất cả các quy trình bao gồm hiếu khí, thiếu khí, yếm khí, lắng, lọc và khử trùng (2) Sáng tạo ra một loại vật liệu mang vi sinh độc đáo dạng mút xốp bằng nhựa PU có tiến diện bề mặt cao tạo ra “ngôi nhà” cho các tập đoàn vi khuẩn cùng sinh sống có tên là DHY01 (3) Cải tiến thành dạng lồng quay để lấy ô xi tự động trong không khí theo nguyên tắc “máy giặt” và chênh lệch áp suất khiến luôn đảm bảo lượng ô xi bão hoà trong bể phản ứng.
3. Khả năng ứng dụng
Thiết bị DVIS đượ thiết kế tích hợp gọn nhẹ, vận hành đơn giản, không phát sinh mùi, ít phát sinh bùn nên. Có khả năng xử lý các chất bẩn như sau BOD5 < 500mg/L; NH4 +-N < 60mg/L; TSS < 250mg/L. Quy mô công suất từ 2m3/ngđ đến 10.000 m3/ngđ. Tiêu chuẩn xả thải đảm bảo QCVN 40:2011 và QCVN 14:2008 (cột A). Do đó, có thể ứng dụng xử lý nước thải cho các đối tượng như khu dân cư, bệnh viện, trường học, khu công nghiệp, cụm công nghiệp, làng nghề, sân golf, resorts, khách sạn, nhà hàng, nơi mà không cần các nhân viên không có kiến thức, kinh nghiệm về vận hành trạm xử lý nước thải vẫn có thể thực hiện.
4. Hiệu quả: kỹ thuật – kinh tế – xã hội
4.1. Hiệu quả kĩ thuật
Giải pháp tạo ra một thiết bị xử lý nước thải mang tên DVIS thực sự nâng cao hiệu quả về mặt kỹ thuật bao gồm (1) Chế tạo sản xuất thiết bị đơn giản bằng thép, inox, nhựa hay composite, (2) Giải pháp kỹ thuật lấy ô xi tự nhiên mà không cần máy sục khí tiết kiệm năng lượng và đơn giản trong chế tạo, (3) Giảm đáng kể chi phí nhân công, năng lượng và tối thiểu lượng bùn được sinh ra, (4) Hiệu quả cao trong việc xử lý amoni mà các công nghệ truyền thống không thực hiện triệt để.
4.2. Hiệu quả kinh tế
Với sáng tạo mới về công nghệ, kỹ thuật của thiết bị DVIS sẽ mở ra một cuộc cách mạng về xử lý nước thải khi đó sẽ tạo ra thêm nhiều việc làm cho xã hội để sản xuất thiết bị, giá thành sản xuất giảm tiết kiệm chi phí cho việc đầu tư ban đầu, giảm chí phí vận hành và bảo dưỡng.
4.3. Hiệu quả xã hội
Sự ra đời của thiết bị DVIS sẽ góp phần xử lý được nhiều nước thải hơn, có nghĩa là hạn chế cả rủi ro về ô nhiễm môi trường nước, đất và không khí từ đó giảm các bệnh dịch liên quan đến ô nhiễm và các hệ luỵ khác của nó gây ra. Đây là hiệu quả kinh tế vĩ mô cho con người, xã hội và toàn cầu.
5. Khen thưởng
Thiết bị DVIS đã được phát triển để thực hiện xử lý amoni trong nước ngầm Hà nội theo đề tài “Hoàn thiện thiết kế, chế tạo bể lọc sinh học xử lý amoni trong nước ngầm dưới dạng module phục vụ cấp nước sinh hoạt cho khu vực Hà Nội”, Mã số: P.2015.05, Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội. Dự án đã được Hội đồng khoa học nghiệm thu cấp thành phố Hà Nội nghiệm thu theo quyết định số 627/QĐ-SKHCN ngày 08/11/2017.
Các bằng khen, giấy khen từ các nhà đầu tư và đơn vị quản lý về hiệu quả kỹ thuật, kinh tế của thiết bị DVIS
Giải nhì Sáng tạo khoa học và công nghệ Việt Nam (Quỹ Vifotec)
