Vậy màng vi sinh là gì?
Màng vi sinh là một lớp màng mỏng được hình thành từ các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm. Những vi sinh vật này phát triển trên bề mặt của các chất nền và tạo thành một cấu trúc dày đặc, trong đó chúng cộng sinh và tương tác với nhau. Màng vi sinh có thể tồn tại trên nhiều loại bề mặt khác nhau, bao gồm cả trong môi trường nước và không khí.
Đặc điểm của màng vi sinh
Đặc điểm của màng vi sinh
- Cấu trúc
Màng vi sinh có cấu trúc phức tạp, bao gồm các vi sinh vật được bao bọc trong một lớp chất nhầy mà chúng tự tiết ra. Lớp chất nhầy này không chỉ giúp bảo vệ vi sinh vật mà còn giúp duy trì độ ẩm cho chúng.
- Chức năng của màng vi sinh
- Xử lý chất thải: Các vi sinh vật trong màng có khả năng phân hủy các chất hữu cơ và chất ô nhiễm, giúp làm sạch nước và không khí.
- Bảo vệ vi sinh vật: Màng vi sinh cung cấp môi trường an toàn và ổn định cho vi sinh vật, giúp chúng tồn tại và phát triển trong các điều kiện khắc nghiệt.
- Ứng dụng của màng vi sinh
- Xử lý nước thải: Màng vi sinh được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải để loại bỏ các chất hữu cơ và các chất gây ô nhiễm khác.
- Xử lý khí thải: Sử dụng trong các hệ thống lọc khí để loại bỏ các hợp chất hữu cơ bay hơi và các chất gây ô nhiễm từ khí thải công nghiệp.
- Y học: Nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực như điều trị nhiễm trùng và phát triển các vật liệu sinh học.
Ưu điểm khi sử dụng màng vi sinh
Sử dụng màng vi sinh mang lại nhiều ưu điểm trong các lĩnh vực xử lý môi trường, công nghiệp và y tế. Cụ thể như sau:
Dễ vận hành, sử dụng
Ưu điểm quan trọng nhất của màng vi sinh vật chính là dễ vận hành trong hệ thống xử lý. Việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính thông thường đòi hỏi phải duy trì ổn các thông số như nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng tuần hoàn bùn, loại bỏ bùn dư thừa… Sự phát triển quá mức của vi khuẩn Filamentous như Beggiatoa, Sphaelotilus natans,… còn làm giảm khả năng lắng của bùn, gây khó khăn cho việc vận hành hệ thống. Trong khi đó, việc sử dụng màng vi sinh hầu như không cần thiết quan tâm đến các yếu tố này
Trong khi bể lắng sau bể Aeroten có nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn trong bể bùn hoạt tính thì trong bể lắng sau thiết bị màng vi sinh, nó chỉ có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học (lớp màng đã bị bong ra trong nước thải sau khi đi qua thiết bị xử lý bằng màng) mà không ảnh hưởng tới hoạt động của màng vi sinh. Do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong màng vi sinh dài nên lượng bùn dư sinh ra sẽ ít đi. Điều này đã giúp làm giảm sự phức tạp trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải.
Tuy nhiên sự đơn giản trong việc vận hành đã dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng hoạt động của hệ thống bị thấp đi. Với bùn hoạt tính, chúng ta có thể điều chỉnh nồng độ bùn trong bể bằng cách điều chỉnh lượng bùn tuần hoàn trong bể lắng, hoặc muốn tăng khả năng loại bỏ nito, chúng ta có thể tăng thời gian lưu bùn. Trong khi đó, màng vi sinh lại không thể điều chỉnh chính xác sinh khối trong hệ thống xử lý. Bởi lẽ, các thông số mà màng vi sinh có thể điều khiển chỉ có chất lượng nước đầu vào và cường độ sục khí (hiếu khí).
Khởi động nhanh
Màng vi sinh có thời gian khởi động nhanh trong hệ thống xử lý
Trong quá trình bùn hoạt tính, thời gian khởi động tối thiểu là một tháng còn với màng vi sinh, thời gian này chỉ cần khoảng 2 tuần đối với thiết bị lọc sinh học ngập nước và thiết bị tiếp xúc quay. Còn với thiết bị lọc nhỏ giọt, thời gian này cần nhiều hơn.
Nguyên nhân khiến cho thời gian khởi động của quá trình dùng màng vi sinh ngắn hơn là vì hầu hết sinh khối sinh ra đều được tích lũy lại mà không bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động khi màng còn mỏng. Nhờ vậy mà việc khôi phục và vận hành chúng cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm bởi một lí do nào đó. Quá trình dùng màng vi sinh cũng chịu đựơc sự thay đổi bất thường về tải trọng hữu cơ.
Có khả năng loại bỏ hiệu quả những chất cơ chất phân hủy chậm
Có 2 quan điểm giải thích về khả năng loại bỏ các chất hữu cơ phân hủy chậm của quá trình màng vi sinh. Đó là:
- Những cơ chất có chứa các loại chất hữu cơ như Linear Alkylbenzen Sulfonate (LAS), Polyvinyl Alcohol (PCA), lignin, các hợp chất hữu cơ gốc clo… hoặc các chất vô cơ như nitrate, cyanide… đều có khả năng phân hủy sinh học. Tuy nhiên, tốc độ phân hủy của chúng rất chậm và tốc độ sinh trưởng của các loài vi sinh sử dụng các hợp chất trên làm cơ chất chính lại rất thấp. Ví dụ như tốc độ phân hủy của vi khuẩn nito Notrosomonas chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của vi khuẩn Escherichia coli. Các loài vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng thấp có khả năng loại bỏ các cơ chất phân hủy chậm.
- Nguỵên nhân thứ hai được cho là liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng sinh học có hiệu quả với bề dày của tổng màng. Nói chung, tốc độ tiêu thụ của một cơ chất chậm có liên quan đến sự vận chuyển bởi quá trình khuếch tán phân tử của nó, độ sâu mà nó có thể xâm nhập vào trong màng vi sinh vật tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả. Nói cách khác, nếu tốc độ tiêu thụ của một cơ chất là nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn với mức tương ứng và ngược lại. Vậy nên sự khác biệt về khả năng phân hủy sinh học sẽ không gây ảnh hưởng trực tiếp tđến tốc độ tiêu thụ cơ chất của lớp màng vi sinh.
Chính vì vậy mà màng vi sinh rất thích hợp để xử lý những loại nước thải có chứa những cơ chất có khả năng phân hủy sinh học chậm.
Chịu được biến động về nhiệt độ và lượng lớn chất ô nhiễm
Khi nhiệt độ giảm, tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm và mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học sẽ quan trọng hơn sự khuếch tán. Năng lượng hoạt hoá được sử dụng để đánh giá mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học vào yếu tố nhiệt độ. Năng lượng càng lớn thì sự phụ thuộc này càng cao.
Năng lượng hoạt hóa của khuếch tán phân tử chỉ khoảng vài kcal/mol, trong khi đó năng lượng hoạt hoá của phản ứng sinh học lại dao động trong khoảng 20 – 30 kcal/mol. Vì vậy mà ngay cả khi nhiệt độ nước thải xuống thấp, tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật cũng không bị ảnh hưởng nhiều bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại. Động lực phản ứng sẽ giống như đối với chất phân hủy chậm vì tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm hơn nhiều so với tốc độ phản ứng theo nhiệt độ.
Ngược lại khi nhiệt độ của nước tăng lên, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng không tăng lên nhiều như phản ứng sinh học nội tại. Vì vậy mà hiệu quả xử lý của màng vi sinh sẽ ổn định, ít bị phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ.
Đối với sự thay đổi tải lượng chất ô nhiễm, việc dùng màng vi sinh cũng đem lại hiệu quả xử lý ổn định. Khi tải lượng đầu vào tăng lên, nồng độ cơ chất trên bề mặt của màng cũng tăng tương ứng. Điều này đã giúp bề dày hiệu quả của màng tăng theo. Ngược lại, khi tải lượng ô nhiễm giảm, bề dày của màng cũng giảm theo và hiệu quả xử lý được giữ ổn định.
Đa dang các thiết bị xử lý
Ứng dụng cho đa dạng thiết bị xử lý
Trong mỗi thiết bị lọc ngập nước, thiết bị tiếp xúc quay hay lọc nhỏ giọt thì hình dạng, kích thước, phương pháp bố trí vật liệu đệm làm giá thể, loại vật liệu cũng rất đa dạng. Tuy không có sự khác biệt nhiều về diện tích bề mặt riêng giữa những thiết bị trên nhưng với thiết bị sử dụng vật liệu lơ lửng, chúng có diện tích bề mặt màng lớn nhiều so với những thiết bị khác, và tải trọng hữu cơ của chúng cũng lớn hơn. Những thiết bị này có thể áp dụng được cả cho quá trình xử lý hiếu khí và kị khí, trừ thiết bị lọc nhỏ giọt.
Xử lý được nước thải có nồng độ cơ chất thấp
Quá trình dùng màng vi sinh vật có thể áp dụng để xử lý nhiều loại nước khác nhau và đặc biệt mang lại hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp. Thực nghiệm đã chứng minh rằng, quá trình dùng bùn hoạt tính không thể xử lý nước thải có nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l. Tuy nhiên màng vi sinh lại có thể làm điều này. Quá trình màng vi sinh vật chỉ yêu cầu nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất với nồng độ cơ chất thay đổi trong khoảng rộng vẫn đảm bảo được hiệu quả xử lý.
Đối với màng vi sinh, nước thải có nồng độ cơ chất càng thấp thì càng dễ xử lý.
Tiết kiệm năng lượng
Các vi sinh vật trong màng vi sinh thực hiện các quá trình phân hủy tự nhiên, không đòi hỏi nhiều năng lượng như các phương pháp xử lý cơ học hoặc hóa học.
Thân thiện với môi trường
- Giảm thiểu hóa chất: Sử dụng màng vi sinh giúp giảm thiểu việc sử dụng các hóa chất độc hại trong quá trình xử lý nước và khí thải.
- Tạo ra sản phẩm phụ hữu ích: Quá trình xử lý có thể tạo ra các sản phẩm phụ hữu ích như bùn sinh học, có thể sử dụng làm phân bón.
Trên đây là những đặc điểm, ứng dụng và ưu điểm của việc dùng màng vi sinh trong hệ thống xử lý nước thải, khí thải mà Đông Á đã tổng hợp lại. Hy vọng rằng những thông tin này đã giúp các bạn có thêm những hiểu biết hữu ích về màng vi sinh.