Trong những thập niên gần đây vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải, chất thải từ các nhà máy chế biến thủy hải sản vừa và nhỏ thuộc các tỉnh ven biển vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) ngày một gia tăng. Việc xây dựng và quản lý các hệ thống xử lý nước thải với công nghệ phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao, rất khó ứng dụng vào các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại các địa phương. Để giải quyết vấn đề này các tác giả đã tiến hành nghiên cứu mô hình thực nghiệm công nghệ lọc sinh học vật liệu nổi sử dụng vật liệu tại chỗ với quy trình vận hành đơn giản, rất phù hợp để chuyển giao cho các cơ sở chế biến thủy hải sản vừa và nhỏ góp phần bảo vệ môi trường.

Trong những thập niên gần đây, cùng với sự phát triển của nghề đánh bắt và nuôi trồng thủy hải sản vùng đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Kiên Giang nói riêng dẫn đến sự gia tăng các nhà máy chế biến thủy hải sản vừa và nhỏ. Phần lớn các cơ sở chế biến thủy sản sử dụng nước ngầm để phục vụ cho sản xuất. Nước thải từ chế biến được đưa thẳng ra ngoài môi trường, không qua xử lý. Trong nước thải thường chứa các chất hữu cơ, vi khuẩn gây bệnh, kháng sinh... làm giảm chất lượng nước, gây tổn hại sinh cảnh, làm suy giảm đa dạng sinh học, nhiễm mặn đất, lan truyền bệnh, biến đổi gien của vi sinh do kháng sinh và đôi khi gây hiện tượng phú dưỡng cho lưu vực nước nhận. Vì lợi ích bảo vệ môi trường nói chung và ngành sản xuất chế biến thủy sản phát triển bền vững thì việc xử lý nước thải từ các cơ sở sản xuất thủy hải sản là một trong những nhu cầu cần thiết. Ngoài ra, tái sử dụng nước chế biến từ các nhà máy thủy hải sản còn mang lợi ích kinh tế nếu cơ sở chế biến xa nguồn nước.

Mức ô nhiễm của nước thải từ các nhà máy chế biến tuỳ thuộc vào loại mặt hàng chủ yếu mà nhà máy đó sản xuất. Một số rất ít chất thải từ chế biến surimi có các chỉ số BOD5 lên tới 3.120mg/l, COD tới 4.890mg/l nước thải từ chế biến Aga có chứa các hoá chất như NaOH, H2SO4, Javen, Borax nhưng liều lượng không cao và tải lượng cũng không nhiều, tuy nhiên nếu loại nước thải này không được pha đủ loãng mà xả thải trực tiếp có thể gây hại cho môi trường.

Nước thải các nhà máy chế biến thuỷ sản có các chỉ số ô nhiễm cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại B dùng cho nuôi trồng thuỷ hải sản (QCVN 05:2009/BTNMT) như BOD5 vượt từ 10 ÷ 30 lần, COD từ 9 ÷ 19 lần. Trong các nhà máy chế biến thuỷ sản đông lạnh có một lượng nhỏ Chlorine (khoảng 60 tấn/năm) dùng để vệ sinh nhà xưởng, khi sử dụng sẽ sinh ra Cl2 phát tán vào không khí có thể gây hại về đường hô hấp cho người lao động.

Hiện nay, có rất nhiều công nghệ xử lý được ứng dụng cho các nhà máy chế biến thủy sản cho chất lượng nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn Việt Nam. Tuy nhiên, giá cả xây dựng và vận hành hệ thống cao, nằm ngoài khả năng tài chính doanh nghiệp và cơ sở chế biến tại địa phương. Đây là một trong những vấn đề được quan tâm nhất đối với các doanh nghiệp và cũng lý giải tại sao các doanh nghiệp không chịu đầu tư hệ thống xử lý nước thải và chấp nhận chịu phạt. Để giải quyết những vấn đề bức xúc trên, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu công nghệ lọc sinh học vật liệu nổi, vật liệu trong nước với giá thành rẻ, tiện sử dụng nhằm góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường do nguồn nước thải gây ra.

- Vật liệu lọc nổi: Hạt polystyrene có kích thước 3-5mm, diện tích bề mặt 600 m2/m3, tổng thể tích 40 lít. Có nhiều vật liệu lọc nổi nhưng qua phân tích nhóm tác giả đã lựa chọn loại vật liệu này với giá thành rẻ, dễ kiếm, xuất xứ trong nước sử dụng cho mô hình thí nghiệm để khi ứng dụng có tính khả thi cao. 

- Nguồn nước thải từ nhà máy thủy sản của vùng nghiên cứu (Nhà máy chế biến thủy sản Kim Ngọc) có hàm lượng COD dao động từ 400 – 800mg/l được lấy và sử dụng cho mô hình thí nghiệm. 

- Cột thí nghiệm được chế tạo bằng kính hữu cơ với kích thước 180x25x25cm 

- Bơm định lượng: hãng sản xuất Nihon Filter Co.ltd, loại PM-350G, lưu lượng tối đa 3,5 l/phút, áp suất tối đa 3kg/cm2

- Máy thổi khí: hãng sản xuất  HAILEA, loại ACO 328, công suất 60W, lưu lượng 70 l/phút, áp suất công tác > 0,03Mpa.

Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm được biểu diễn như trong Hình 1.

Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm xác định khả năng xử lý nước thải của công nghệ lọc sinh học vật liệu nổi có thể chia ra làm 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Giai đoạn khởi động nhằm tạo lớp màng sinh học ổn định thích nghi với nước thải thủy sản. Bùn hiếu khí lấy về tiến hành pha loãng với nước thải tạo MLSS 2.500 mg/l. Sau đó cho bùn và nước thải mô hình chạy thích nghi ứng với tải trọng hữu cơ thấp 0,3kgCOD/m3/ngày.

Giai đoạn 2: thay đổi tải trọng hữu cơ, khảo sát khả năng xử lý COD, N, P, SS theo sự gia tăng tải trọng chất hữu cơ.

Giai đoạn 3: Đánh giá khả năng chịu sốc của bể lọc khi có sự biến động các yếu tố đầu vào.

Nước thải được bơm từ đáy cột với các lưu lượng khác nhau ứng với mỗi tải trọng, dưới cột đặt đường ống dẫn khí và đá bọt phân phối khí. Khí được cấp từ máy thổi khí, qua đồng hồ đo lưu lượng. Tỉ lệ khí/nước trung bình bằng 10, lượng oxy hòa tan trong cột nước được đảm bảo lớn hơn hoặc bằng 4 mg O2/l. Trên thân mô hình có gắn đồng hồ đo áp có tác dụng đo tổn thất cột áp qua cột lọc.

Mẫu nước lấy phân tích để đánh giá hiệu quả làm việc của của thí nghiệm mô hình được kiểm định chất lượng trước khi xử lý (đầu vào) và chất nước sau khi xử lý (đầu ra). 

Do nước thủy sản chứa chủ yếu là thành phần chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên quá trình thích nghi của vi sinh vật tương đối nhanh. Khi khởi động mô hình, ta vận hành ở tải trọng 0,3 kgCOD/m3/ngày, với lưu lượng 2,4 l/h và COD nước thải đầu vào trung bình 200 mg/l để vi sinh thích nghi. Nước thải được pha trộn với bùn hoạt 
tính để đạt được nồng độ MLSS khoảng 2.500 mg/l nhằm đẩy nhanh quá trình tạo màng. Sau 5 tuần, vi sinh vật đã bám dính lên giá thể và màng vi sinh hình thành. Sự  thay đổi nồng độ SS và COD trong quá trình thích nghi được thể hiện trong hình 2 và 3.

Ta thấy rằng phần lớn bùn hoạt tính được giữ lại trong lớp vật liệu lọc. Điều này cho thấy rằng hiệu quả lọc của loại vật liệu nổi khá cao, đồng thời tạo điều kiện tốt cho vi sinh vật bám vào. 

Hiệu quả xử lý COD tăng theo thời gian trong quá trình thích nghi. Ở ngày thứ nhất COD đầu ra khá cao 150 mg/l. Điều này là do bùn hoạt tính trôi theo nước nên làm tăng COD đầu ra đồng thời do lớp màng sinh học ban đầu còn mỏng nên hiệu quả xử lý không cao chỉ đạt khoảng 60%.

Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất hữu cơ có ý nghĩa cần thiết trong thực tiễn vận hành hệ thống xử lý nước thải ra môi trường. Giá trị COD đầu vào là cơ sở cho việc lựa chọn thiết kế các công trình xử lý trong toàn hệ thống. Kết quả COD dòng ra có được không những phản ánh hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ của hệ thống xử lý mà còn giúp cho các nhà vận hành đưa ra các hướng giải quyết để dòng thải đạt qui chuẩn thải cho phép.

Có thể chia ra tải trọng hữu cơ làm 2 phần: tải trọng thấp và trung bình (từ 0,45 đến 2 kgCOD/m3.ngày) được biểu diễn trong Hình 4 và tải trọng cao (từ 2,34 đến 6,44 kg COD/m3.ngày) được biểu diễn ở Hình 5.

Khi chạy ở tải trọng thấp và trung bình (0,45 đến 2 kgCOD/m3.ngày), hiệu quả xử lý COD khá cao trên 70%. Thời gian thích nghi của mô hình khá nhanh, trung bình sau 2 ngày là thích nghi. Lớp màng sinh vật dày lên theo thời gian và theo chiều cao lớp vật liệu lọc.

Khi chạy ở tải trọng cao (từ 2,34 đến 6,44 kgCOD/m3/ngày) hiệu quả xử lý COD vẫn khá cao trên 69%. Lúc này lớp màng sinh học đã phủ đều các hạt vật liệu lọc và dày lên nhiều nên thích nghi tốt với các tải trọng hữu cơ.

Sau một thời gian thích nghi và thay đổi tải trọng, nồng độ vi sinh vật ngày càng cao, thể hiện ở lớp màng sinh học ngày càng dày đã giúp cho lượng cơ chất trong nước thải được tiêu thụ tốt hơn. Những chất hữu cơ cao phân tử khó phân hủy được giữ lại trong lớp màng sinh học và trong lớp vật liệu lọc nên có thời gian để vi sinh vật phân hủy hoàn toàn.

Bể lọc sinh học vật liệu nổi khác với các bể lọc sinh học khác ở chỗ vừa có khả năng xử lý nước 
thải vừa có khả năng lọc, loại bỏ chất rắn lơ lửng trong nước. Dựa vào việc quan sát tổng chất rắn đầu ra TSS ta có thể đánh giá được hiệu quả giữ lại chất rắn lơ lửng  của vật liệu lọc nổi (Hình 6).

Nhìn chung tổng lượng chất rắn lơ lửng đầu ra khá ổn định, cao nhất là 94mg/l ở ngày thứ 7, tải trọng hữu cơ 6,44 kgCOD/m3.ngày và thấp nhất là 15 mg/l ở ngày thứ 7, tải trọng hữu cơ 3,74 kgCOD/m3.ngày. Ta nhận thấy rằng ở tải trọng hữu cơ 6,44 kgCOD/m3 ngày thì tổng lượng chất rắn đầu ra khá cao 90mg/l. Quan sát trên đồng hồ đo áp, tổn thất cột áp là 40 cm. Như vậy có thể cho là đã kết thúc một chu kỳ lọc, cần tiến hành rửa 
ngược cột lọc sinh học vật liệu nổi.

Khả năng xử lý Nitơ của thí nghiệm được thể hiện trong biểu đồ Hình 7. Quá trình loại bỏ nitơ ra khỏi nước thải được giải thích do ba nguyên nhân sau: một là nitơ mất đi do sự hấp thu của vi sinh vật, hai là do sự khuếch tán của khí NH3 vào trong không khí, ba là do quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa.

Từ biểu đồ cho thấy hiệu quả xử lý nitơ tăng lên khi tăng tải trọng hữu cơ từ 0,45 lên 1,44 kgCOD/m3/ngày, và giảm từ tải trọng hữu cơ 1,8 đến 6,44 kgCOD/m3/ngày. Hiệu quả xử lý nitơ cao nhất là 83,86% ở tải trọng hữu cơ 1,44 kgCOD/m3/ngày và thấp nhất là 14,78% ở tải trọng hữu cơ 6,44 kgCOD/m3/ngày. Sự thay đổi này có thể được giải thích là do khi chạy ở tải trọng hữu cơ thấp từ 0,45 đến 1,44 kgCOD/m3/ngày do lớp màng sinh học ngày càng dày lên, vi sinh vật sử dụng nitơ để tổng hợp sinh khối nên lượng nitơ mất đi nhiều hơn.

Khả năng xử lý phốt-pho của thí nghiệm được thể hiện trong biểu đồ Hình 8.

Trong quá trình khử phốt-pho bằng phương pháp sinh học, phốt-pho trong nước thải đầu vào được kết hợp vào sinh khối tế bào vi sinh vật và sau đó loại bỏ khỏi quá trình dưới dạng bùn thải. Hàm lượng phốt-pho trong nước thải đầu vào không cao, dao động từ 9 đến 17 mg/l. Khi chạy mô hình với tải trọng hữu cơ từ 0,45 đến 1,15 kgCOD/m3/ngày, hiệu quả xử lý photpho tăng từ 33,33 lên 48,94%. Từ tải trọng hữu cơ 1,44 đến 6,44 kgCOD/m3/ngày, hiệu quả xử lý photpho giảm xuống từ 46,06 xuống còn 12,21%.

Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình sẽ xác định các thông số động học của quá trình sinh trưởng dính bám được mô tả trong phương trình phản ứng bậc 1 của Eckenfelder (1970):

K: Hằng số tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất nước thải, thiết kế bể lọc và bể lắng, điều kiện vận hành, nhiệt độ,…

                 

Mô hình được vận hành ở nhiệt độ 280C. Các kết quả thu đươc trong quá trình thực nghiệm Bảng 1:

Sau khi tính toán (Xem phụ lục A) ta được kết quả như sau: 

Như vậy, hai thông số động học cho quá trình sinh trưởng bám dính trong cột lọc sinh học vật liệu nổi để xử lý nước thải thủy sản: n= 0,232; K20=1,092. Với các thông số này, khi thay đổi một số điều kiện xử lý như hàm lượng chất hữu cơ đầu vào, tiêu chuẩn nguồn xả thải, chiều cao cột lọc sinh học đều có thể xác định các thông số còn lại để thiết kế quy trình. Đây chính là trọng tâm của đề tài nhằm giúp các  nhà thiết kế mô hình  xử lý nước thải linh động trong thiết kế để chuyển giao với các lưu lượng xả thải khác nhau theo từng yêu cầu của nhà máy và chủ đầu tư yêu cầu.

Khả năng chịu sốc là một trong những ưu điểm của phương pháp xử lý nước thải bằng màng sinh học nói chung và cột lọc sinh học vật liệu nổi nói riêng. Theo Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp-Ngành chế biến thực phẩm (Sở KH&CN thành phố Hồ Chí Minh)  thì nước thải được xử lý bằng bể aerotank phải sục khí thường xuyên, không để gián đoạn sục khí. Nếu ngưng hoạt động, không nên để quá 4 giờ. Lượng nước thải xử lý phải được bơm cấp đều cho hệ thống để nuôi dưỡng hệ vi sinh vật trong hệ thống xử lý, không nên để gián đoạn nguồn nước quá lâu (5 ngày), vi sinh vật cạn kiệt nguồn thức ăn và sẽ bị chết. Đối với kết quả nghiên cứu của đề tài này việc ngưng sục khí trong vòng 24 giờ vẫn an toàn cho vi sinh vật theo các nghiệm  thức sau: Nghiệm thức 1: Ngừng cấp khí và nước thải đầu vào trong 24 giờ;  Nghiệm thức 2: Ngừng cấp nước thải đầu vào sau 15 ngày.

Kết quả nghiên cứu mô hình cột lọc sinh học vật liệu nổi dạng Pilot mà đối tượng nghiên cứu là nước thải thủy sản được lấy từ nhà máy chế biến thủy sản ở huyện Châu thành tỉnh Kiên giang và Công ty chế biến thủy hải sản Việt Nhật ở huyện Bình Chánh Thành phố Hồ Chí Minh như sau:

- Mô hình thí nghiệm với quá trình vận hành khá 
đơn giản, không cần bể lắng sau, thời gian khởi động và thích nghi ngắn, đồng thời việc rửa lọc vật liệu theo chu kỳ cũng đơn giản phù hợp với điều kiện quản lý của các xí nghiệp vừa và nhỏ.

- Khả năng xử lý loại bỏ chất hữu cơ với thời gian lưu ngắn. Các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học dưới dạng chất rắn sẽ được giữ lại trong lớp vật liệu để phân hủy từ từ.

- Các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học dưới dạng chất rắn lơ lửng được giữ lại trong cột lọc sinh học trong thời gian dài, màng vi sinh vật bong tróc có tuổi bùn cao nên chất rắn đầu ra được khoáng hóa tốt.

- Hiệu quả xử lý nitơ tăng lên khi tăng tải trọng hữu cơ từ 0,45 lên 1,44 kg, và giảm xuống khi tải trọng hữu cơ tăng lên từ 1,8 đến 6,44 kg. Hiệu quả xử lý nitơ cao nhất là 83,86% ở tải trọng hữu cơ 1,44kg và thấp nhất là 14,78% ở tải trọng hữu cơ 6,44kg. Lớp màng sinh học càng dày, nitrat trong nước càng cao thì hiệu quả loại bỏ phốt-pho càng giảm. Như vậy với hàm lượng nitơ, phốt pho đầu ra còn khá cao thì cần phải kết hợp với các biện pháp xử lý khác.

- Với kết quả nghiên cứu từ đề tài cấp cơ sở cho thấy có thể ứng dụng mô hình công nghệ lọc sinh học vật liệu nổi để xử lý nước thải cho các nhà máy chế biến thủy hải sản vừa và nhỏ với chi phí đầu tư thấp, lắp đặt, vận hành đơn giản, vật liệu luôn có sẵn, chi phí vận hành thấp, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng chịu sốc cao và đặc biệt là nước thải đầu ra đáp ứng được các thông số quy định không gây ô nhiễm môi trường. 

[1]. David Allison, PeterGilbert, Hilary Lappin- Scott, Michael Wilson. Community structureanhdco-0peration in biofim, Cambridge University press 2000.

[2]. Henk Vanhooren,2002. Modelling for optimization of biofilm wastewater treatmen processes: A complexity compromise.

[3]. Lê Thị Siêng và CS “ Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ lọc nổi và công nghệ lọc sinh học để xử lý nước thải các nhà máy chế biến thủy hải sản trên đại bàn huyện Châu Thành tỉnh Kiên Giang”. Đề tài cấp cơ sở năm 2010-2011, Viện Kỹ thuật Biển

[4]. Nguyễn Đức Lượng, Nguyễn Thị Thùy Dương. Công nghệ sinh học môi trường, NXB Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh 2003.

[5]. Sổ tay xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp - Ngành chế biến thực phẩm. Sở Khoa học Công nghệ và và MT TP HCM, 2005

[6]. Sổ tay xử lý nước,6 th. , Degremont,1989

[7]. Udo Wiesmann, In Su choi, Eva-maria Dombrowski. Fundamentals of Biological Wastewater treatment. WILEY-VCH Verlag GmbH&CO.KGaA 2007.

[8]. Võ Thị Ngọc Xuân “Nghiên cứu thực nghiệm  và đề xuất công nghệ khả thi xử lý nước thải ngành dệt nhộm”. Luận án cao học 1999, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Trường Đại học bách khoa Tp HCM.