Bể lọc sinh học là gì?
Bể lọc sinh học là một công trình nhân tạo trong hệ thống xử lý nước thải, hoạt động dựa trên phương pháp sinh học. Cụ thể, bể sử dụng các quần thể vi sinh vật có ích bám dính trên bề mặt của lớp vật liệu lọc rắn để phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và các chất ô nhiễm khác có trong nước thải.
Mục đích chính của bể lọc sinh học là loại bỏ các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm (thể hiện qua chỉ số BOD – Nhu cầu Oxy sinh hóa), amoniac và các tạp chất khác, chuyển hóa chúng thành các chất đơn giản, ít độc hại hơn như CO₂, nước và sinh khối mới. Đây là một công trình quan trọng và gần như không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất, khu công nghiệp, bệnh viện hay các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung.
Cấu tạo chung của bể lọc sinh học
Mặc dù có nhiều biến thể khác nhau, một bể lọc sinh học điển hình thường có kết cấu bằng bê tông cốt thép hoặc vật liệu composite, với hình dạng phổ biến là hình tròn hoặc hình chữ nhật. Cấu tạo cơ bản bao gồm các thành phần chính sau:
- Thân bể: Là phần vỏ ngoài, có chức năng chứa toàn bộ nước thải và các bộ phận bên trong.
- Phần chứa vật liệu lọc: Đây là trái tim của bể lọc, nơi diễn ra quá trình xử lý chính. Lớp vật liệu lọc này có thể là các vật liệu tự nhiên như đá dăm, sỏi, than hoạt tính, hoặc các vật liệu nhân tạo như giá thể vi sinh dạng cầu, sợi, tấm nhựa PVC… Yêu cầu quan trọng nhất của vật liệu lọc là phải có diện tích bề mặt riêng lớn để tạo không gian cho vi sinh vật bám dính và phát triển, đồng thời có độ rỗng cao để nước và không khí lưu thông dễ dàng.
- Hệ thống phân phối nước: Có nhiệm vụ tưới hoặc phun đều nước thải lên khắp bề mặt lớp vật liệu lọc. Hệ thống này có thể là dạng dàn phun quay, máng phân phối cố định hoặc hệ thống vòi phun.
- Hệ thống thu nước sau xử lý: Nằm ở đáy bể, thường là dạng máng hoặc sàn đục lỗ để thu gom nước đã qua xử lý và dẫn sang công trình tiếp theo (thường là bể lắng).
- Hệ thống thông khí: Cung cấp Oxy cho các vi sinh vật hiếu khí hoạt động. Hệ thống này có thể là thông khí tự nhiên (nhờ chênh lệch nhiệt độ) hoặc thông khí cưỡng bức (dùng quạt thổi khí).
Nguyên lý hoạt động của bể lọc sinh học
Nguyên lý hoạt động của bể lọc sinh học dựa trên một quá trình phức tạp nhưng vô cùng hiệu quả của tự nhiên, được chia thành các giai đoạn chính:
- Xử lý sơ bộ: Nước thải từ nhà máy hoặc khu dân cư thường chứa nhiều rác, cặn bẩn kích thước lớn. Do đó, chúng phải được xử lý sơ bộ qua song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng đợt 1 để loại bỏ các tạp chất này trước khi được bơm vào bể lọc sinh học.
- Bám dính và hình thành màng sinh học (Biofilm): Nước thải sau xử lý sơ bộ được phân phối đều lên bề mặt vật liệu lọc. Các vi sinh vật sẵn có trong nước thải sẽ bám dính lên bề mặt vật liệu.
- Phát triển và Phân hủy: Tại đây, các vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ (BOD, COD), nitơ, phốt pho trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng để sinh trưởng và phát triển, tạo thành một lớp màng nhầy gọi là màng sinh học (biofilm). Bên trong lớp màng này là một hệ sinh thái vi sinh vật đa dạng.
- Quá trình hiếu khí: Ở lớp ngoài của màng sinh học, nơi tiếp xúc trực tiếp với không khí, các vi sinh vật hiếu khí sử dụng Oxy để oxy hóa chất hữu cơ, tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO₂, H₂O và sinh khối mới.
- Quá trình kỵ khí/thiếu khí: Ở lớp sâu bên trong của màng, nơi Oxy không thể khuếch tán tới, các vi sinh vật kỵ khí hoặc thiếu khí sẽ tiến hành các quá trình phân hủy khác, tạo ra CH₄, CO₂, N₂…
- Rơi rụng (Bong tróc): Khi màng sinh học ngày càng dày lên, lớp vi sinh vật ở phía trong cùng (sát bề mặt vật liệu lọc) sẽ chết đi do thiếu dinh dưỡng và Oxy. Điều này làm giảm khả năng bám dính, khiến toàn bộ lớp màng sinh học cũ bong tróc ra và bị dòng nước cuốn trôi xuống dưới.
- Tái tạo: Ngay sau khi lớp màng cũ bong ra, một lớp màng sinh học mới sẽ nhanh chóng hình thành trên bề mặt vật liệu lọc, bắt đầu một chu kỳ xử lý mới.
- Xử lý sau: Dòng nước sau khi ra khỏi bể lọc sinh học sẽ mang theo các màng sinh học đã bong tróc (gọi là bùn sinh học). Dòng nước này sẽ được dẫn đến bể lắng thứ cấp (bể lắng 2) để tách phần bùn này ra khỏi nước. Nước trong sau lắng đã đạt tiêu chuẩn sẽ được khử trùng trước khi thải ra môi trường hoặc tái sử dụng.
Các loại bể lọc sinh học thông dụng hiện nay
Tùy thuộc vào tải trọng, đặc tính nước thải và yêu cầu xử lý, bể lọc sinh học được phân loại thành nhiều loại khác nhau. Dưới đây là các loại phổ biến nhất:
Bể lọc sinh học nhỏ giọt
Đây là loại bể lọc cổ điển và phổ biến nhất. Nước thải được phân phối lên bề mặt vật liệu lọc theo dạng các tia nước nhỏ hoặc nhỏ giọt.
- Đặc điểm: Vật liệu lọc thường là đá dăm, sỏi, vòng nhựa… có kích thước từ 25-100mm, tạo độ rỗng lớn để không khí lưu thông tự nhiên.
- Phân loại chi tiết:
- Bể lọc vận tốc chậm: Nạp nước theo chu kỳ, hiệu suất khử BOD cao nhưng dễ phát sinh ruồi và mùi hôi.
- Bể lọc vận tốc trung bình và nhanh: Hoạt động liên tục với tuần hoàn nước, giúp tăng tải trọng, giảm mùi và ruồi.
- Bể lọc cao tốc (cao tải): Lưu lượng nạp rất cao, cột lọc sâu, thường dùng vật liệu nhựa chuyên dụng.
- Bể lọc thô: Dùng để xử lý sơ bộ cho nước thải có nồng độ ô nhiễm quá cao trước khi vào giai đoạn xử lý thứ cấp.
- Bể lọc 2 pha: Gồm 2 bể lọc nối tiếp, dùng để xử lý nước thải ô nhiễm nặng và cần quá trình nitrat hóa triệt để.
- Ứng dụng: Thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải công suất vừa và nhỏ.
Bể lọc sinh học cao tải
Đây là phiên bản cải tiến của bể lọc nhỏ giọt, được thiết kế để xử lý lượng nước thải lớn hơn.
- Đặc điểm: Chiều cao cột lọc lớn hơn, sử dụng vật liệu lọc có kích thước lớn và độ rỗng cao. Tốc độ oxy hóa diễn ra nhanh hơn và thường phải sử dụng thông gió cưỡng bức bằng quạt thổi để đảm bảo cung cấp đủ Oxy.
- Điều kiện áp dụng: Yêu cầu nước thải phải được xử lý sơ bộ kỹ lưỡng, nồng độ BOD đầu vào không nên vượt quá 300mg/l.
Bể lọc sinh học có lớp vật liệu lọc ngập trong nước
Ở loại bể này, toàn bộ lớp vật liệu lọc được đặt ngập hoàn toàn trong nước.
- Ưu điểm: Chi phí vận hành, bảo dưỡng thấp do không cần bơm tuần hoàn, tiết kiệm năng lượng.
- Hạn chế: Hiệu suất xử lý thường thấp hơn loại không ngập nước. Dễ bị tắc nghẽn, nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ nước thải, khó kiểm soát quá trình thông khí, dễ sinh mùi hôi và bùn dư không ổn định.
- Ứng dụng: Thường được áp dụng cho các hệ thống quy mô nhỏ, yêu cầu xử lý không quá khắt khe.
Bể lọc sinh học có lớp vật liệu lọc không ngập trong nước
Đây chính là các loại bể nhỏ giọt và cao tải đã đề cập ở trên.
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ thi công, vận hành. Ít phát sinh mùi hôi khó chịu, có thể xây dựng dạng module linh hoạt. Khả năng tự động hóa cao.
- Hạn chế: Tốn năng lượng cho hệ thống bơm và quạt thông khí (nếu là thông khí cưỡng bức).
Ưu điểm của bể lọc sinh học
- Hiệu quả xử lý cao: Có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ (BOD, COD), amoni, nitơ và một phần phốt pho.
- Chi phí vận hành thấp: So với các công nghệ khác như bể Aerotank, chi phí vận hành và bảo dưỡng của bể lọc sinh học (đặc biệt là loại thông khí tự nhiên) thường thấp hơn.
- Cấu tạo đơn giản: Dễ dàng thiết kế, thi công và lắp đặt.
- Vận hành ổn định: Hệ vi sinh vật bám dính trên vật liệu lọc có khả năng chống chịu sốc tải tốt hơn so với hệ vi sinh vật lơ lửng.
- Thời gian xử lý nhanh: Quá trình oxy hóa diễn ra nhanh chóng, rút ngắn thời gian lưu nước.
- Ít bùn dư: Lượng bùn sinh ra thường ít và đặc hơn so với bể Aerotank, giúp giảm chi phí xử lý bùn.
Nhược điểm của bể lọc sinh học
- Nguy cơ tắc nghẽn: Nếu không được bảo trì định kỳ, bùn và chất rắn có thể tích tụ gây tắc nghẽn lớp vật liệu lọc.
- Phát sinh mùi: Một số loại bể (như bể nhỏ giọt tốc độ chậm) có thể phát sinh mùi hôi nếu không được thông khí tốt.
- Yêu cầu diện tích: Một số thiết kế có thể yêu cầu diện tích xây dựng tương đối lớn.
- Nhạy cảm với nhiệt độ: Hiệu suất xử lý có thể giảm khi nhiệt độ môi trường hoặc nước thải quá thấp, ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật.
- Thu hút côn trùng: Khu vực xung quanh bể, đặc biệt là bể hở, có thể trở thành nơi thu hút ruồi, muỗi.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của bể lọc sinh học
Để bể lọc sinh học hoạt động tối ưu, cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố sau:
- Chất lượng nước thải đầu vào:
- Nồng độ chất hữu cơ (BOD): Tải trọng hữu cơ quá cao có thể gây quá tải cho hệ vi sinh vật.
- Chất độc hại: Sự hiện diện của kim loại nặng, hóa chất độc hại có thể ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật.
- Nhiệt độ và pH: Mỗi quần thể vi sinh vật hoạt động tốt nhất trong một khoảng nhiệt độ và pH nhất định.
- Thiết kế và vận hành bể lọc:
- Loại vật liệu lọc: Vật liệu có diện tích bề mặt càng lớn thì hiệu quả càng cao.
- Thời gian lưu nước (HRT): Thời gian nước thải tiếp xúc với màng sinh học phải đủ dài để quá trình phân hủy diễn ra.
- Cung cấp Oxy: Lượng Oxy phải đủ cho quá trình hiếu khí nhưng không quá mạnh để làm bong tróc màng sinh học non.
- Tải trọng thủy lực: Tốc độ dòng chảy phải phù hợp, không quá nhanh để rửa trôi vi sinh vật.
Bể lọc sinh học đã và đang khẳng định vai trò không thể thay thế trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp và XLNT sinh hoạt. Với cấu tạo đa dạng, nguyên lý hoạt động dựa trên quy trình sinh học tự nhiên và khả năng thích ứng cao, đây là một giải pháp bền vững, hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Việc lựa chọn loại bể lọc nào, thiết kế ra sao và sử dụng vật liệu lọc nước gì cho phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính nguồn thải, quy mô hệ thống và mục tiêu chất lượng nước đầu ra. Nếu bạn đang tìm kiếm một giải pháp xử lý nước thải tối ưu cho doanh nghiệp của mình, đừng ngần ngại liên hệ với dịch vụ môi trường trọn gói Hi-Tech. Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi sẵn sàng tư vấn, thiết kế và thi công hệ thống bể lọc sinh học hiệu quả, phù hợp nhất với nhu cầu của bạn.
