Màng lọc sinh học MBR

Trong bối cảnh gia tăng dân số, đô thị hóa nhanh chóng và phát triển công nghiệp, lượng nước thải phát sinh ngày càng lớn, kéo theo áp lực nặng nề lên nguồn nước tự nhiên và môi trường. Xử lý nước thải hiệu quả không chỉ là trách nhiệm môi trường mà còn là yêu cầu cấp thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hướng tới sự phát triển bền vững.

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống, tuy đã chứng minh hiệu quả trong nhiều thập kỷ, đang dần bộc lộ những hạn chế về chất lượng nước đầu ra, diện tích lắp đặt và khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải ngày càng nghiêm ngặt, đặc biệt là khi cần tái sử dụng nước.

Trước thách thức đó, công nghệ Màng lọc sinh học MBR (Membrane Bioreactor) nổi lên như một giải pháp đột phá, kết hợp ưu điểm của xử lý sinh học truyền thống (bể bùn hoạt tính) với công nghệ phân tách tiên tiến (màng lọc).

Sự kết hợp này không chỉ mang lại chất lượng nước đầu ra vượt trội, có thể trực tiếp sử dụng cho mục đích tái sử dụng, mà còn giúp giảm đáng kể diện tích xây dựng và nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy.

Công Nghệ Màng Lọc Sinh Học MBR – Sự Kết Hợp Tối Ưu

Định Nghĩa và Khái Niệm Cốt Lõi

MBR (Membrane Bioreactor) là sự tích hợp của quy trình xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính với công nghệ màng lọc.
Trong MBR, màng lọc đóng vai trò thay thế hoàn toàn bể lắng bậc 2 trong hệ thống bùn hoạt tính truyền thống. Màng thực hiện chức năng phân tách pha rắn-lỏng, giữ lại bùn hoạt tính trong bể sinh học và cho nước sạch đi qua.
Điều này cho phép duy trì nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) rất cao trong bể sinh học, thường gấp 2-3 lần so với hệ thống truyền thống (8.000 – 12.000 mg/L hoặc cao hơn).

Sự Khác Biệt Căn Bản Giữa MBR và Hệ Thống Bùn Hoạt Tính Truyền Thống

Bộ phận tách rắn-lỏng: Màng lọc thay thế bể lắng bậc 2.
Nồng độ MLSS: Cao hơn đáng kể trong MBR (8-12 g/L) so với truyền thống (2-4 g/L).
Tuổi bùn (SRT – Sludge Retention Time): Dài hơn trong MBR (thường > 15-20 ngày, có thể > 60 ngày) so với truyền thống (5-15 ngày).
Thời gian lưu nước (HRT – Hydraulic Retention Time): Ngắn hơn trong MBR (thường 3-10 giờ) so với truyền thống (4-12 giờ cho bể Aerotank + 2-4 giờ cho bể lắng).
Diện tích lắp đặt: Nhỏ hơn đáng kể do không cần bể lắng, đôi khi không cần cả lọc cát.
Chất lượng nước đầu ra: Vượt trội về SS, độ đục, vi khuẩn, và thường giảm BOD/COD tốt hơn.
Sản lượng bùn dư: Thường thấp hơn do tuổi bùn dài, vi sinh vật có thời gian phân hủy nội bào.
Chi phí: Đầu tư ban đầu và năng lượng vận hành thường cao hơn, nhưng bù lại chi phí hóa chất (đối với xử lý bậc 3) và chi phí xử lý bùn có thể thấp hơn.

Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết Của Hệ Thống MBR

Sơ Đồ Quy Trình Tổng Thể

Một hệ thống MBR điển hình bao gồm các công đoạn sau:

Tiền xử lý (Pre-treatment):
- Song chắn rác tinh (Fine screen): Loại bỏ rác có kích thước lớn (thường < 3-5 mm) để bảo vệ màng khỏi bị tắc nghẽn bởi vật rắn.
- Lắng cát/tách dầu mỡ (Grit chamber/Oil & grease trap): Loại bỏ cát, sạn, dầu mỡ.
Bể điều hòa (Equalization Tank) – Tùy chọn: Cân bằng lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm.
Bể Anoxic (Tùy chọn): Loại bỏ Nito bằng phương pháp khử Nitrat.
Bể Aerobic / Bể MBR (Aerobic Tank / MBR Tank):
- Nơi diễn ra quá trình xử lý sinh học hiếu khí.
- Chứa module màng lọc (đối với MBR ngập).
- Có hệ thống sục khí cung cấp oxy cho vi sinh vật và sục khí làm sạch bề mặt màng.
Module Màng Lọc (Membrane Module): Đây là thiết bị cốt lõi. Nước sạch (Permeate) được hút ra qua màng, còn bùn hoạt tính được giữ lại trong bể.
Hệ thống sục khí (Aeration System):
- Máy thổi khí (Blowers): Cung cấp khí cho sục khí sinh học và sục khí làm sạch màng.
- Hệ thống phân phối khí (Diffusers).
Hệ thống rửa màng (Membrane Cleaning System):
- Bể chứa hóa chất tẩy rửa (ví dụ: NaOH, NaOCl, HCl, Citric acid).
- Bơm định lượng hóa chất.
- Hệ thống đường ống và van cho quy trình rửa hóa học.
Hệ thống xử lý bùn dư (Excess Sludge Treatment): Bùn dư được bơm ra khỏi hệ thống để xử lý tiếp (làm đặc, ép bùn…).
Hệ thống điều khiển (Control System): Tự động hóa quá trình vận hành (điều khiển bơm, van, máy thổi khí, quy trình rửa màng) dựa trên các cảm biến (áp suất, lưu lượng, mức nước, DO…).

Nguyên Lý Hoạt Động Chi Tiết

Nước thải sau tiền xử lý chảy vào bể sinh học (Bể MBR).
Trong bể, nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính có nồng độ rất cao. Vi sinh vật trong bùn phân hủy các chất hữu cơ (BOD, COD) và các chất dinh dưỡng (N, P) thành khí và sinh khối mới.
Hệ thống sục khí cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động mạnh mẽ.
Module màng lọc được đặt ngập trong hỗn hợp bùn lỏng (Mixed Liquor) trong bể (MBR ngập) hoặc bùn lỏng được bơm tuần hoàn qua module màng đặt ngoài bể (MBR áp lực).
Một bơm hút (hoặc áp lực thủy tĩnh đối với một số hệ thống nhỏ) tạo ra sự chênh lệch áp suất xuyên màng (TMP – Transmembrane Pressure), đẩy nước sạch đi qua cấu trúc siêu lọc hoặc vi lọc của màng.
Toàn bộ bùn hoạt tính (kể cả các hạt rất nhỏ và vi khuẩn) bị màng giữ lại trong bể sinh học. Điều này đảm bảo nồng độ MLSS trong bể luôn cao, cho phép giảm thể tích bể và/hoặc thời gian lưu nước (HRT), đồng thời kéo dài tuổi bùn (SRT), giúp vi sinh vật phân hủy các chất khó phân hủy hơn và giảm lượng bùn dư phát sinh.
Quá trình lọc diễn ra gián đoạn theo chu kỳ Hút/Ngừng (Permeate/Relax Cycle). Thời gian ngừng giúp màng “nghỉ”, giảm tắc nghẽn. Trong thời gian ngừng hoặc hút, hệ thống sục khí dưới module màng hoạt động liên tục hoặc theo chu kỳ để tạo dòng chảy rối, làm sạch bề mặt màng.
Khi áp lực xuyên màng (TMP) tăng đến một giới hạn nhất định do tắc nghẽn màng, hệ thống sẽ tự động kích hoạt quy trình rửa màng. Rửa vật lý (rửa ngược bằng nước permeate) và rửa hóa học (sử dụng hóa chất) là các biện pháp để phục hồi khả năng lọc của màng.
Lượng bùn dư sinh ra từ quá trình sinh học (sinh khối mới) được bơm ra khỏi hệ thống định kỳ để duy trì MLSS trong bể ở mức thiết kế.

Các Loại Thiết Bị Màng Lọc MBR Phổ Biến Trên Thị Trường

Thiết bị màng lọc MBR, hay Module Màng, là trái tim của công nghệ này. Chúng được phân loại dựa trên cấu trúc và vật liệu.

Phân Loại Theo Cấu Trúc Module Màng

Module Màng Sợi Rỗng

Cấu tạo: Gồm hàng nghìn đến hàng chục nghìn sợi màng hình ống nhỏ (đường kính trong khoảng 0.4 – 2 mm) được bó lại thành một module. Các sợi màng thường được cố định ở hai đầu trong một ống hoặc khung.
Nguyên lý lọc:
- Trong ra ngoài (Inside-out): Nước thải đi vào lòng sợi màng, nước sạch đi xuyên qua thành sợi ra bên ngoài.
- Ngoài vào trong (Outside-in): Nước thải bao quanh bên ngoài sợi màng, nước sạch đi xuyên qua thành sợi vào trong lòng sợi và được thu hồi. Cấu hình này phổ biến hơn trong MBR ngập do dễ dàng sục khí làm sạch bề mặt ngoài của sợi màng.
Ưu điểm: Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích (packing density) cao, dễ dàng vệ sinh bề mặt bằng sục khí và rửa ngược, chi phí sản xuất thường cạnh tranh.

Module Màng Tấm Phẳng

Cấu tạo: Gồm nhiều tấm màng phẳng được gắn trên các khung đỡ và xếp song song nhau với khoảng cách nhất định (vài mm). Mỗi tấm màng gồm một lớp màng siêu lọc/vi lọc phủ trên một vật liệu nền xốp (ví dụ: polypropylene).
Nguyên lý lọc: Nước thải chảy qua khe giữa các tấm màng. Nước sạch được hút xuyên qua tấm màng vào bên trong khung đỡ rỗng.
Ưu điểm: Kênh dòng chảy giữa các tấm màng rộng hơn, ít nhạy cảm với tắc nghẽn do vật rắn lơ lửng lớn hơn so với sợi rỗng. Dễ dàng kiểm tra và thay thế từng tấm màng.

Module Màng Ống

Cấu tạo: Màng được tạo hình ống với đường kính lớn hơn (thường từ 0.5 inch đến vài inch). Nhiều ống màng được đặt trong một vỏ bọc.
Nguyên lý lọc: Nước thải được bơm với tốc độ cao chảy bên trong lòng ống, tạo dòng chảy rối giúp giảm tắc nghẽn trên bề mặt trong của màng. Nước sạch thấm qua thành ống ra bên ngoài.
Ưu điểm: Có thể xử lý bùn có nồng độ rất cao hoặc nước thải có hàm lượng SS cao. Ít bị tắc nghẽn bởi vật rắn. Dễ dàng vệ sinh bằng các viên bi xốp chảy trong lòng ống (sponge ball cleaning)

Phân Loại Theo Vật Liệu Màng

Màng Polymer: Phổ biến nhất trong MBR do chi phí hợp lý và khả năng tùy biến

PVDF (Polyvinylidene Fluoride): Rất phổ biến, có độ bền hóa học và cơ học tốt, khá ưa nước (hydrophilic), dễ vệ sinh.
PES (Polyethersulfone): Độ bền nhiệt và hóa học tốt, ưa nước.
PS (Polysulfone): Tương tự PES.
PP (Polypropylene) / PE (Polyethylene): Bền hóa học, kỵ nước (hydrophobic) hơn, có thể cần xử lý bề mặt để tăng tính ưa nước.
Tính ưa nước/kỵ nước: Màng ưa nước có xu hướng ít bị tắc nghẽn bởi các chất hữu cơ kỵ nước và protein hơn màng kỵ nước. Bề mặt màng có thể được xử lý để tăng tính ưa nước.

Màng Ceramic (Gốm sứ)

Cấu tạo: Làm từ các vật liệu gốm như Alumina, Titania, Zirconia. Có thể là dạng tấm hoặc ống.
Ưu điểm: Độ bền cơ học và hóa học rất cao, chịu được nhiệt độ và pH khắc nghiệt, kháng khuẩn tốt, tuổi thọ rất dài. Chịu được tẩy rửa bằng hóa chất mạnh.

Ưu Điểm Nổi Bật Của Công Nghệ MBR

Màng lọc sinh học MBR mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các hệ thống xử lý nước thải truyền thống:

Chất Lượng Nước Đầu Ra Vượt Trội

Loại bỏ hoàn toàn chất rắn lơ lửng (SS): Kích thước lỗ màng (siêu lọc UF: 0.01-0.1 µm; vi lọc MF: 0.1-0.4 µm) nhỏ hơn nhiều so với kích thước vi khuẩn và hầu hết các hạt SS.
Độ đục thấp: Nước permeate rất trong, độ đục thường dưới 1 NTU, thậm chí dưới 0.1 NTU.
Loại bỏ vi khuẩn và virus: Màng siêu lọc có khả năng loại bỏ gần như 100% vi khuẩn và một phần lớn virus, giảm đáng kể chỉ tiêu Coliform, E.coli…
Giảm đáng kể BOD và COD: Nồng độ MLSS cao và tuổi bùn dài giúp tăng cường hiệu quả phân hủy sinh học các chất hữu cơ hòa tan. BOD và COD đầu ra rất thấp, thường đạt tiêu chuẩn xả thải loại A hoặc cao hơn.
Khả năng loại bỏ một phần chất dinh dưỡng: Trong điều kiện hoạt động phù hợp (kết hợp bể Anoxic), MBR có thể loại bỏ Nito và Photpho hiệu quả hơn.
Thích hợp cho tái sử dụng nước: Chất lượng nước permeate đạt yêu cầu cho nhiều mục đích tái sử dụng khác nhau như tưới tiêu, rửa đường, làm mát công nghiệp… mà không cần hoặc chỉ cần xử lý khử trùng đơn giản.

Tiết Kiệm Diện Tích Xây Dựng

Màng lọc sinh học MBR loại bỏ nhu cầu về bể lắng bậc 2 và các công trình lọc bậc 3 như bể lọc cát.
Với cùng công suất xử lý, hệ thống MBR có diện tích xây dựng chỉ bằng 30-50% so với hệ thống bùn hoạt tính truyền thống. Điều này đặc biệt quan trọng ở các khu vực đất đai đắt đỏ.

Nâng Cao Hiệu Quả Xử Lý Sinh Học

Nồng độ MLSS cao: Tăng nồng độ “nhà máy” vi sinh vật trong bể, cho phép xử lý lượng chất ô nhiễm lớn hơn trong cùng một thể tích bể hoặc xử lý cùng lượng chất ô nhiễm với thể tích bể nhỏ hơn.
Tuổi bùn dài (SRT): Cung cấp thời gian đủ cho vi sinh vật sinh trưởng chậm và các vi khuẩn chuyên biệt phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy (refractory compounds). Điều này giúp giảm COD khó phân hủy và giảm lượng bùn dư phát sinh.

Giảm Lượng Bùn Dư Phát Sinh

Tuổi bùn dài thúc đẩy quá trình phân hủy nội bào (endogenous respiration), nơi vi sinh vật tự tiêu thụ một phần sinh khối của chính mình để tồn tại, dẫn đến lượng bùn dư cần xả bỏ thấp hơn so với hệ thống truyền thống.

Vận Hành Linh Hoạt và Khả Năng Tự Động Hóa Cao

Hệ thống màng lọc sinh học MBR dễ dàng điều chỉnh lưu lượng và nồng độ MLSS.
Các thiết bị MBR hiện đại thường được trang bị hệ thống điều khiển tự động hóa tinh vi, giám sát và điều chỉnh các thông số vận hành (áp suất hút, tốc độ bơm, chu kỳ hút/ngừng, sục khí, rửa màng) giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm sự can thiệp thủ công.

Chịu Sốc Tải Tốt

Nhờ nồng độ bùn cao và tuổi bùn dài, hệ vi sinh vật trong MBR ổn định hơn và có khả năng phục hồi nhanh hơn khi đối mặt với sự thay đổi đột ngột về lưu lượng hoặc nồng độ chất ô nhiễm (sốc tải).

Màng lọc sinh học Alfa Laval của Thuỵ Điển

Thiết Kế Hệ Thống MBR – Các Yếu Tố Quan Trọng Cần Cân Nhắc

Thiết kế một hệ thống màn lọc sinh học MBR đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng:

Phân Tích Đặc Tính Nước Thải Đầu Vào và Yêu Cầu Nước Đầu Ra

Thu thập dữ liệu chi tiết về lưu lượng (trung bình, đỉnh, dao động) và chất lượng nước thải (BOD, COD, SS, TKN, TP, pH, nhiệt độ, độ mặn, sự hiện diện của các chất độc hại, dầu mỡ…).
Xác định tiêu chuẩn chất lượng nước đầu ra cần đạt được (xả thải hay tái sử dụng, tiêu chuẩn loại nào).

Lựa Chọn Công Nghệ Màng và Cấu Hình MBR

MBR ngập hay MBR áp lực: Phụ thuộc vào quy mô, diện tích, chi phí, yêu cầu áp lực đầu ra.
Loại module màng (sợi rỗng, tấm phẳng, ống): Dựa trên chất lượng nước thải, yêu cầu về khả năng chống tắc nghẽn, chi phí. Sợi rỗng và tấm phẳng phổ biến hơn cho nước thải sinh hoạt và công nghiệp thông thường.
Vật liệu màng: Polymer cho ứng dụng phổ biến, Ceramic cho nước thải khắc nghiệt (nhiệt độ cao, hóa chất mạnh, bùn cô đặc).

Tính Toán Diện Tích Màng Cần Thiết

Dựa trên lưu lượng xử lý và thông lượng màng thiết kế (Design Flux – L/m²/h). Thông lượng thiết kế là thông lượng trung bình dự kiến trong quá trình hoạt động, thấp hơn thông lượng tối đa của màng để đảm bảo vận hành ổn định và giảm tắc nghẽn. Giá trị này phụ thuộc vào loại màng, chất lượng nước thải, MLSS, nhiệt độ.
Diện tích màng = Lưu lượng / Thông lượng thiết kế. Cần tính toán cho cả lưu lượng trung bình và lưu lượng đỉnh.

Thiết Kế Bể Sinh Học (MBR Tank)

Thể tích bể: Xác định dựa trên Thời gian lưu nước (HRT) cần thiết để đạt hiệu quả xử lý sinh học mong muốn, phụ thuộc vào loại nước thải và nồng độ MLSS thiết kế.
Cấu trúc bể: Có thể là bể hình chữ nhật hoặc hình tròn. Thiết kế cần đảm bảo trộn đều hỗn hợp bùn lỏng và phân phối khí sục hiệu quả.
Bố trí module màng trong bể: Đảm bảo khoảng cách giữa các module và giữa module với thành bể đủ để khí sục lưu thông và làm sạch màng.

Tính Toán Hệ Thống Sục Khí

Khí sục sinh học (Process Air): Cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí. Lượng khí tính toán dựa trên tải lượng BOD/COD đầu vào.
Khí sục làm sạch màng (Scouring Air): Tạo dòng chảy rối làm sạch bề mặt màng. Lượng khí này thường lớn hơn nhiều khí sục sinh học và tính toán dựa trên diện tích bề mặt màng.
Chọn loại máy thổi khí (blower) và hệ thống phân phối khí (diffusers) phù hợp.

Thiết Kế Hệ Thống Bơm và Đường Ống

Bơm hút Permeate: Chọn loại bơm (ly tâm, hút chân không) và công suất phù hợp với lưu lượng và áp lực xuyên màng tối đa dự kiến.
Bơm rửa ngược: Cung cấp lưu lượng nước rửa ngược cao hơn lưu lượng lọc.
Hệ thống đường ống: Kích thước phù hợp để giảm thiểu trở lực.

Thiết Kế Hệ Thống Rửa Hóa Học

Bể chứa hóa chất, bơm định lượng, hệ thống đường ống và van tự động để thực hiện các quy trình rửa tăng cường và rửa phục hồi.

Hệ Thống Điều Khiển và Giám Sát

Thiết kế hệ thống điều khiển logic (PLC, SCADA) để tự động hóa toàn bộ quá trình vận hành và rửa màng.
Lắp đặt các cảm biến cần thiết (cảm biến áp suất, lưu lượng, mức nước, DO, nhiệt độ, ORP…) để giám sát hiệu suất hệ thống và điều khiển tự động.

Ứng Dụng Đa Dạng Của Công Nghệ MBR

MBR được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xử lý nước thải:

Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt

Các khu dân cư, khu đô thị mới: Yêu cầu chất lượng nước xả thải cao hoặc cần tái sử dụng nước cho cảnh quan, tưới cây, rửa đường.
Các tòa nhà cao tầng, khách sạn, trung tâm thương mại: Diện tích xây dựng hạn chế, cần hệ thống nhỏ gọn, hiệu quả.
Các khu nghỉ dưỡng, resort: Thường nằm ở những khu vực nhạy cảm về môi trường, cần chất lượng nước xả thải cao.
Bệnh viện: Nước thải có chứa mầm bệnh, MBR giúp loại bỏ vi khuẩn hiệu quả.

Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Ngành thực phẩm và đồ uống: Nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ phân hủy sinh học.
Ngành dệt nhuộm: Nước thải có màu, hàm lượng COD cao, khó phân hủy. MBR kết hợp với các công nghệ khác có thể xử lý hiệu quả.
Ngành dược phẩm: Nước thải có chứa các hợp chất phức tạp, khó phân hủy sinh học.
Ngành hóa chất: Tùy loại hóa chất mà MBR có thể là một phần của quy trình xử lý phức tạp.
Ngành giấy và bột giấy: Nước thải chứa hàm lượng SS và COD cao.
Công nghiệp lọc dầu và hóa dầu: Xử lý nước thải công nghiệp.
Nước rỉ rác (Leachate): Chứa nồng độ chất ô nhiễm rất cao, MBR thường được sử dụng kết hợp với các công nghệ khác như RO.

Tái Sử Dụng Nước

Màng lọc sinh học MBR là công nghệ nền tảng cho các hệ thống tái sử dụng nước. Nước permeate từ MBR có chất lượng cao, có thể trực tiếp dùng cho các mục đích không uống như tưới tiêu, rửa xe, xả bồn cầu, làm mát công nghiệp, bổ sung nước cho các hệ thống chữa cháy.
Kết hợp MBR với công nghệ thẩm thấu ngược (RO) tạo thành hệ thống MBR-RO cho phép sản xuất nước siêu tinh khiết, phục vụ cho các ngành công nghiệp bán dẫn, dược phẩm hoặc thậm chí là nước uống.

Bảng giá màng lọc sinh học MBR

Tên sản phẩm	Giá tham khảo (VNĐ)
Màng lọc sinh học MBR dạng tấm phẳng 0.8 m2	1,450,000
Màng lọc sinh học MBR diện tích 6 m2	6,500,000
Màng lọc sinh học MBR diện tích 15 m2	12,900,000
Màng lọc sinh học MBR diện tích 20 m2	19,900,000
Màng lọc sinh học MBR diện tích 25 m2	22,500,000
Màng lọc sinh học MBR diện tích 40 m2	35,000,000

Kết Luận

Thiết bị Màng lọc sinh học MBR đã và đang cách mạng hóa lĩnh vực xử lý nước thải, mang đến một giải pháp hiệu quả, nhỏ gọn và bền vững cho các thách thức môi trường hiện đại.

Với khả năng cung cấp nước đầu ra có chất lượng vượt trội, sẵn sàng cho tái sử dụng và xả thải đạt các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhất, công nghệ MBR ngày càng được ưa chuộng trong xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp trên khắp thế giới, bao gồm cả Việt Nam.

CATALOG SẢN PHẨM SUNGROUP JSC