Lọc sinh học là gì?
Lọc sinh học là một biện pháp xử lý ô nhiễm tương đối mới. Đây là một phương pháp hấp dẫn để xử lý các chất khí có mùi hôi và các hợp chất hữu cơ bay hơi có nồng độ thấp.
Chất hữu cơ gây ô nhiễm + O2 ---> CO2 + H2O + nhiệt + sinh khối
Lịch sử
Trong khi việc sử dụng các hệ thống lọc sinh học chưa được phổ biến ở Mỹ thì hàng trăm hệ thống lọc sinh học đã được ứng dụng thành công và có hiệu quả ở Châu Âu (Hà Lan, Tân Tây Lan, Đức) và Nhật Bản. Hệ thống lọc sinh học trước đây thường được thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử lý nước thải, các nhà máy tái chế, quá trình ủ phân compost. Sau đó, nó được ứng dụng phổ biến trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các hợp chất hữu cơ khác.
Sau đây là một số mốc lịch sử của việc phát triển hệ thống lọc sinh học:
Việc xử lý mùi hôi đã được tiến hành từ những năm 1950 và lúc đó người ta thường sử dụng hệ thống lọc qua đất, hay bể lọc sinh học nhỏ giọt. Các chất khí có mùi hôi thường là hydrogen sulphite hay mercaptant và các hợp chất sulfur khác. Việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi mới được áp dụng gần đây và trở nên phổ biến trong thập kỷ vừa qua và hiện nay còn đang được tiến hành nghiên cứu sâu thêm. Ví dụ, hiện nay một số nghiên cứu đã chứng minh được là các hệ thống lọc sinh học có thể dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ có nhân thơm và các hợp chất béo, cồn, aldehydes, acid hữu cơ, acrylate, acid carbolic, amines và ammoniac.
Mô tả quá trình xử lý
Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các chất khí có mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc. Nguyên liệu lọc được thiết kế sau cho có khả năng hấp thụ nước lớn, độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi ngang qua nó.
| |
Bể lọc sinh học có một lớp nguyên liệu lọc (diện tích 6000 ft2) ở nhà máy Monsanto |
Các hệ thống nhỏ hơn, phổ biến hơn với nhiều lớp nguyên liệu lọc được trình bày trong hình sau:
| |
Các đơn vị nguyên liệu lọc này gọi là "khối sinh học" (Biocube) được thiết kế bởi EG&G Corporation có kích thước cao khoảng 7 ft và đường kính khoảng 6 ft. Việc sử dụng nhiều lớp nguyên liệu lọc kiểu này hạn chế được việc các nguyên liệu lọc bị dồn nén lại và việc các luồng khí xuyên thành những đường thoát qua lớp nguyên liệu lọc. Hơn nữa, nó còn tạo sự thuận lợi trong việc bảo trì hay thay mới nguyên liệu lọc.
Trong quá trình lọc sinh học, các chất khí gây ô nhiễm được làm ẩm và sau đó được bơm vào một buồng phía bên dưới nguyên liệu lọc. Khi chất khí đi ngang qua lớp nguyên liệu lọc, các chất ô nhiễm bị hấp thụ và phân hủy. Khí thải sau khi đã lọc sạch được phóng thích vào khí quyển từ bên trên của hệ thống lọc. Hầu hết những hệ thống lọc sinh học hiện nay có công suất xử lý mùi và các chất hữu cơ bay hơi lớn hơn 90%. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là chỉ xử lý được những khí thải có nồng độ chất ô nhiễm thấp (<1000ppm) và lưu lượng khí xử lý chỉ nằm trong giới hạn 300-500 ft3/ft2-giờ.
Nguyên liệu lọc
Lớp nguyên liệu lọc ẩm tạo nên điều kiện lý học và hóa học thuận lợi cho việc chuyển đổi các chất ô nhiễm từ pha khí sang pha lỏng và quá trình phân hủy sinh học các chất ô nhiễm này bởi màng sinh học. Cơ chế của quá trình lọc sinh học bao gồm quá trình hấp phụ, hấp thụ và phân hủy bởi các vi sinh vật. Các vi sinh vật trong màng sinh học liên tục hấp thụ và biến dưỡng các chất ô nhiễm, biến chúng thành các sản phẩm cuối cùng là nước, CO2 và các loại muối.
Nguyên liệu lọc điển hình là hỗn hợp của các chất nền ủ phân compost, đất, cây thạch nam (heather), plastic và các phụ phẩm gỗ. Các nguyên liệu lọc nhằm cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp thụ và hấp phụ các chất ô nhiễm. Ngoài ra nó còn làm nhiệm vụ cung cấp chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật. Một vài loại nguyên liệu lọc không đáp ứng được về nhu cầu dưỡng chất cho vi sinh vật, do đó chúng ta phải hiệu chỉnh bằng cách cho thêm vào các hợp chất đạm và phospho.
Các nguyên liệu lọc thường có tuổi thọ từ 5 - 7 năm trước khi phải thay mới.
Các điểm cần quan tâm khi quyết định chọn nguyên liệu lọc:
Khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học
Một số thông số thiết kế
Diện tích
Diện tích là một thông số được quan tâm hàng đầu trong việc thiết kế hệ thống lọc sinh học. Để xử lý lưu lượng khí khoảng 30 ft3/phút, một hệ thống lọc sinh học có thể cần diện tích 25 ft2. Đối với những lưu lượng khí lớn hơn, chúng ta cần những diện tích lớn hơn và có thể bằng diện tích một sân bóng rổ như đã nói ở trên.
Thành phần hóa học và hàm lượng của chất ô nhiễm trong khí thải
Phân tích thành phần hóa học và hàm lượng của nó trong khí thải cần thiết để xác định xem biện pháp lọc sinh học có thích hợp hay không. Các hệ thống lọc sinh học hoạt động tốt khi các hợp chất ô nhiễm (không hoà tan trong nước) có nồng độ thấp (<1000 ppm). Một số hợp chất phân hủy sinh học rất chậm (như các hợp chất chlor) do đó đòi hỏi hệ thống xử lý có kích thước lớn.
Thời gian lưu trú
Thời gian lưu trú là khoảng thời gian vi sinh vật tiếp xúc với luồng khí thải và được tính bằng công thức sau:
RT = Tổng thể tích các lỗ rỗng của lớp nguyên liệu lọc/lưu lượng khí thải
Thời gian lưu trú càng dài sẽ cho hiệu suất xử lý càng cao. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế chúng ta cần phải giảm thiểu thời gian lưu trú để hệ thống có thể xử lý một lưu lượng lớn hơn. Thông thường, thời gian lưu trú của các hệ thống lọc sinh học biến động trong khoảng 30 giây đến 1 phút.
Ẩm độ
Ẩm độ của luồng khí thải cần phải xử lý rất quan trọng vì nó giữ ẩm độ cần thiết cho các màng sinh học. Do đó, luồng khí thải thường được bơm qua một hệ thống làm ẩm trước khi bơm vào hệ thống lọc sinh học để đảm bảo ẩm độ của luồng khí thải đi vào hệ thống lọc sinh học phải lớn hơn 95%.
Kiểm soát pH
Các sản phẩm phụ của quá trình phân hủy sinh học là các acid hữu cơ. Để duy trì pH của hệ thống nằm trong khoảng thích hợp cho các vi sinh vật hoạt động, chúng ta cần cho thêm các dung dịch đệm pH.
Nguyên liệu lọc
Nguyên liệu lọc có thể bao gồm than bùn, cây thạch nam, phân ủ compost, than hạt hoặc các nguyên liệu thích hợp khác. Nói chung, các nguyên liệu này phải có khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho vi sinh vật và không gây giảm áp luồng khí nhiều. Thêm vào đó, ẩm độ của các nguyên liệu lọc phải được duy trì ở mức 30 - 60% để cho quần thể các vi sinh vật phát triển. Do đó, bên cạnh thiết bị làm ẩm khí thải, người ta thường lắp đặt hệ thống phun nước cho các lớp nguyên liệu lọc.
Giảm áp
Việc giảm áp của luồng khí khi đi ngang lớp nguyên liệu lọc nên được hạn chế tối đa. Nếu lớp nguyên liệu lọc gây trở lực lớn cho nguồn khí, ta cần tiêu tốn thêm năng lượng cho máy thổi khí, gây tăng giá thành xử lý. Khả năng gây trở lực cho nguồn khí phụ thuộc vào ẩm độ và độ rổng của lớp nguyên liệu lọc. Độ ẩm tăng, độ rổng lớp nguyên liệu giảm là nguyên nhân gây tăng trở lực cho nguồn khí. Đối với các hệ thống điển hình mức độ giảm áp nằm trong khoảng 1 -10 hPa.
Bảo trì
Khi bắt đầu đưa vào hoạt động, hệ thống cần được chăm nom một lần/tuần. Sau khi hệ thống đã hoạt động ổn định và đã giải quyết tất cả các vấn đề có thể xảy ra. Tần số thăm nom có thể giảm xuống 1 lần/nửa tháng hoặc hàng tháng.
Ưu và khuyết điểm của hệ thống lọc sinh học
Ưu điểm
Khuyết điểm
Thương mại hóa
Đã có hơn 50 hệ thống lọc sinh học sử dụng phân compost làm nguyên liệu lọc đã được lắp đặt theo kiểu thương mại ở Châu Âu và Mỹ trong vòng 15 năm qua.
Việc sử dụng hệ thống lọc sinh học xử lý các chất hữu cơ bay hơi đã được áp dụng trong các ngành công nghiệp sau:
Việc sử dụng hệ thống lọc sinh học để xử lý mùi, cho tới nay đã áp dụng trong các ngành công nghiệp sau:
Selvi B. Anit & Robert J. Artuz
Biên dịch: Lê Hoàng Việt