Giá thể MBBR là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng trong xử lý nước thải

Trong bối cảnh đô thị hóa và công nghiệp hóa diễn ra mạnh mẽ, vấn đề xử lý nước thải đang trở thành một thách thức môi trường cấp bách trên toàn cầu. Các phương pháp xử lý truyền thống như bể Aerotank (bùn hoạt tính lơ lửng) đang dần bộc lộ những hạn chế về diện tích xây dựng, hiệu suất xử lý và khả năng chịu tải trọng biến động. Để giải quyết bài toán này, các công nghệ tiên tiến đã ra đời, trong đó nổi bật nhất là công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor).

Trái tim và linh hồn của công nghệ MBBR chính là giá thể MBBR (hay còn gọi là giá thể vi sinh MBBR, đệm vi sinh). Đây là những vật thể nhỏ bằng nhựa được thiết kế đặc biệt, đóng vai trò là “ngôi nhà” cho hệ vi sinh vật phát triển, thực hiện quá trình phân hủy chất hữu cơ ô nhiễm.

Vậy cụ thể, giá thể MBBR là gì? Chúng có cấu tạo như thế nào? Nguyên lý hoạt động của hệ thống sử dụng giá thể này ra sao và chúng được ứng dụng thực tế trong các ngành nghề nào? Bài viết chuyên sâu 2000 từ này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn toàn diện và chi tiết nhất.

Giá thể MBBR là gì? Định nghĩa chi tiết

Giá thể MBBR (MBBR Media) là một loại vật liệu mang vi sinh (bio-carrier) được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải MBBR. Tên gọi MBBR là viết tắt của Moving Bed Biofilm Reactor, nghĩa là “Bể phản ứng màng sinh học chuyển động” hay “Bể phản ứng sinh học tầng sôi”.

Hiểu một cách đơn giản, giá thể MBBR là những vật thể nhỏ, thường làm bằng nhựa, được thả lơ lửng trong bể xử lý. Chúng có mục đích cốt lõi là cung cấp diện tích bề mặt khổng lồ cho vi sinh vật (vi khuẩn, vi nấm…) bám dính và phát triển, hình thành một lớp màng sinh học (biofilm) dày đặc.

Không giống như các hệ thống bùn hoạt tính truyền thống nơi vi sinh vật trôi nổi tự do (lơ lửng) trong nước, công nghệ MBBR “cố định” vi sinh vật trên các giá thể này. Hệ thống sục khí hoặc máy khuấy chìm sẽ giữ cho các giá thể này liên tục chuyển động, va đập nhẹ và phân tán đều trong toàn bộ thể tích bể.

Chính nhờ lớp màng biofilm dày đặc này mà nồng độ vi sinh vật trong bể MBBR cao hơn gấp nhiều lần so với bể Aerotank truyền thống, dẫn đến hiệu suất xử lý vượt trội, đặc biệt là trong việc loại bỏ BOD, COD, Nitơ và Photpho.

Tại sao lại cần giá thể vi sinh?

Trong các hệ thống xử lý nước thải thông thường, mật độ vi sinh vật bị giới hạn bởi khả năng tuần hoàn bùn và thể tích bể. Bằng cách bổ sung giá thể MBBR, chúng ta đã “nhân” diện tích tiếp xúc lên hàng ngàn lần.

Tăng mật độ sinh khối (Biomass): Càng nhiều “nhà” (diện tích bề mặt) thì càng có nhiều “cư dân” (vi sinh vật). Mật độ vi sinh cao đồng nghĩa với việc xử lý được nhiều chất ô nhiễm hơn trong một thời gian ngắn hơn.
Bảo vệ vi sinh vật: Lớp màng biofilm tạo ra một môi trường sống được bảo vệ, giúp vi sinh vật chống chịu tốt hơn với các cú sốc tải lượng (shock load) hoặc sự thay đổi đột ngột về nồng độ pH, nhiệt độ, hay độc tố.

Vai trò của giá thể MBBR trong quá trình xử lý sinh học hiếu khí

Cấu tạo chi tiết của Giá thể MBBR

Để thực hiện tốt vai trò của mình, giá thể MBBR phải được thiết kế với những đặc tính vật lý và hóa học cụ thể. Cấu tạo của chúng bao gồm ba yếu tố chính: Vật liệu, Hình dạng và Thông số kỹ thuật.

Vật liệu chế tạo giá thể MBBR

Yêu cầu hàng đầu đối với vật liệu làm giá thể là phải trơ về mặt hóa học, bền cơ học và an toàn với môi trường. Vật liệu phổ biến nhất hiện nay là:

HDPE (High-Density Polyethylene): Đây là lựa chọn hàng đầu nhờ độ bền va đập cao, khả năng chống mài mòn, kháng hóa chất (axit, kiềm) và không bị phân hủy sinh học. HDPE nguyên sinh đảm bảo không tiết ra chất độc hại vào nguồn nước.
PP (Polypropylene): Cũng là một loại nhựa phổ biến, có đặc tính tương tự HDPE nhưng có thể nhẹ hơn một chút.
PE (Polyethylene): Thường được sử dụng cho các loại giá thể có chi phí thấp hơn.

Các vật liệu này đảm bảo giá thể có tuổi thọ rất cao, thường là trên 10-15 năm vận hành liên tục trong môi trường nước thải khắc nghiệt.

Hình dạng và Thiết kế bề mặt của giá thể MBBR

Đây là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất của giá thể. Hình dạng của giá thể MBBR cực kỳ đa dạng, nhưng tất cả đều chung một mục đích: tối đa hóa diện tích bề mặt được bảo vệ (protected surface area).

“Diện tích bề mặt được bảo vệ” là phần diện tích bên trong các khe, rãnh, lỗ của giá thể, nơi vi sinh vật có thể phát triển mà không bị va đập bên ngoài làm bong tróc.

Các dạng hình học phổ biến bao gồm:

Dạng bánh xe (Wheel/Cog Shape): Đây là dạng rất phổ biến (như các loại Kaldnes K1, K3, K5). Chúng có các cánh, vách ngăn bên trong và các lỗ hổng. Thiết kế này tạo ra diện tích bề mặt bên trong rất lớn và khả năng tự làm sạch (self-sloughing) hiệu quả khi va chạm.
Dạng cầu (Spherical Shape): Các giá thể hình cầu, có thể rỗng hoặc có các rãnh khía bên ngoài và cấu trúc xốp bên trong. Chúng di chuyển dễ dàng nhưng diện tích bề mặt được bảo vệ có thể thấp hơn dạng bánh xe.
Dạng dẹt/đĩa (Disc Shape): Các đĩa mỏng có nhiều lỗ.
Dạng sợi/khối xốp (Fibrous/Sponge-like): Có cấu trúc dạng bọt biển hoặc búi sợi, cung cấp diện tích bề mặt cực cao, nhưng có thể nhạy cảm hơn với việc tắc nghẽn nếu không được sục khí đúng cách.

Thông số kỹ thuật quan trọng

Khi đánh giá một loại giá thể MBBR, các kỹ sư môi trường sẽ quan tâm đến các chỉ số sau:

Tỷ trọng (Density): Đây là yếu tố quyết định khả năng “lơ lửng” của giá thể. Tỷ trọng lý tưởng của giá thể MBBR phải xấp xỉ bằng tỷ trọng của nước, thường dao động từ 0.95 đến 0.98 g/cm³ (nhẹ hơn nước một chút). Điều này giúp chúng dễ dàng được khuấy trộn chỉ với một lực sục khí vừa phải, tiết kiệm năng lượng.
Diện tích bề mặt riêng (Specific Surface Area): Đây là thông số quan trọng nhất, được đo bằng m²/m³ (mét vuông diện tích bề mặt trên một mét khối giá thể). Con số này càng cao, khả năng xử lý của bể càng lớn. Các loại giá thể MBBR hiện đại có thể có diện tích bề mặt từ 500 m²/m³ đến hơn 1200 m²/m³.
Tỷ lệ điền đầy (Filling Ratio): Đây không phải là đặc tính của giá thể, mà là thông số thiết kế bể. Nó chỉ tỷ lệ phần trăm thể tích bể được chiếm bởi giá thể. Thông thường, tỷ lệ này dao động từ 30% đến 70% thể tích bể.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ MBBR

Hệ thống MBBR kết hợp những ưu điểm của cả hai phương pháp: bùn hoạt tính lơ lửng và màng sinh học cố định (filter sinh học). Nguyên lý hoạt động của nó diễn ra theo các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Khởi động và Hình thành Biofilm

Nạp giá thể: Giá thể MBBR sạch được đổ vào bể phản ứng (bể hiếu khí hoặc thiếu khí) theo tỷ lệ điền đầy đã thiết kế (ví dụ: 50%).
Sục khí và nuôi cấy: Nước thải (chứa vi sinh vật tự nhiên) hoặc bùn hoạt tính từ một hệ thống khác (để đẩy nhanh quá trình) được đưa vào bể. Hệ thống sục khí (dưới đáy bể) được bật lên.
Bám dính: Trong vài ngày đến vài tuần, vi sinh vật bắt đầu bám dính vào bề mặt giá thể. Chúng tiết ra các chất polymer ngoại bào (EPS) để tạo thành một lớp “keo” sinh học, giúp chúng bám chắc hơn.
Phát triển: Vi sinh vật sử dụng chất ô nhiễm (BOD, Amoni…) trong nước thải làm thức ăn và phát triển, hình thành một lớp màng sinh học (biofilm) ngày càng dày lên.

Giai đoạn 2: Vận hành ổn định

Khuấy trộn liên tục: Hệ thống sục khí (nếu là bể hiếu khí) hoặc máy khuấy (nếu là bể thiếu khí/kỵ khí) hoạt động liên tục, đảm bảo hai nhiệm vụ:

Cung cấp Oxy: Cho vi sinh vật hiếu khí hô hấp và phân hủy chất hữu cơ.
Giữ giá thể “chuyển động”: Đảm bảo tất cả giá thể đều tiếp xúc đều với nước thải (thức ăn) và oxy.

Xử lý ô nhiễm: Khi nước thải chảy qua bể, vi sinh vật trong lớp biofilm trên giá thể sẽ hấp thụ và chuyển hóa các chất ô nhiễm.

Trong điều kiện hiếu khí: Vi khuẩn hiếu khí phân hủy chất hữu cơ (BOD, COD) và thực hiện quá trình Nitrat hóa (chuyển Amoni (NH₄⁺) thành Nitrat (NO₃⁻)).
Trong điều kiện thiếu khí (Anoxic): (Nếu hệ thống có bể Anoxic dùng MBBR) Vi khuẩn thiếu khí sẽ thực hiện quá trình Khử Nitrat (chuyển Nitrat (NO₃⁻) thành khí Nitơ (N₂) bay lên).

Tách bùn: Nước sau khi ra khỏi bể MBBR sẽ chảy sang bể lắng thứ cấp (hoặc bể lọc màng MBR). Tại đây, phần bùn (chủ yếu là các màng biofilm bị bong ra) sẽ lắng xuống.

Giai đoạn 3: Cơ chế tự làm sạch

Đây là một trong những đặc điểm “thông minh” nhất của công nghệ MBBR.

Khi lớp màng biofilm trở nên quá dày, lớp vi sinh vật ở sâu bên trong (sát bề mặt giá thể) sẽ không nhận đủ oxy và thức ăn. Chúng sẽ chết đi, làm giảm khả năng bám dính.
Đồng thời, sự chuyển động và va chạm liên tục giữa các giá thể trong bể tạo ra lực cắt (shear force).
Lực cắt này, kết hợp với độ bám dính yếu đi, sẽ làm cho lớp biofilm già cỗi bên ngoài tự động bong tróc (sloughing) ra khỏi giá thể.
Các mảng biofilm bong ra này (gọi là bùn) sẽ theo dòng nước sang bể lắng để được loại bỏ.
Trong khi đó, lớp biofilm mỏng hơn, “trẻ” hơn và hoạt động mạnh mẽ hơn vẫn còn lại trên giá thể, tiếp tục quá trình xử lý.

Nhờ cơ chế này, hệ thống MBBR không bao giờ bị tắc nghẽn và không cần quá trình rửa ngược (backwash) như các hệ thống lọc sinh học cố định, giúp tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể.

Ưu điểm của Giá thể MBBR

Hiệu suất xử lý rất cao: Nhờ mật độ sinh khối (MLSS tương đương) cực cao, hiệu suất loại bỏ BOD, COD, Nito, Photpho đều vượt trội so vớicác công nghệ truyền thống.
Tiết kiệm diện tích xây dựng: Cùng một tải lượng ô nhiễm, bể MBBR chỉ cần thể tích bằng 30-50% so với bể Aerotank truyền thống. Đây là lợi ích khổng lồ đối với các nhà máy, khu đô thị có quỹ đất hạn hẹp.
Khả năng chịu tải trọng sốc (Shock Load): Khi nồng độ ô nhiễm đột ngột tăng cao, lớp màng biofilm dày có khả năng “đệm” và bảo vệ vi sinh, giúp hệ thống phục hồi nhanh chóng và duy trì sự ổn định.
Vận hành đơn giản, không cần tuần hoàn bùn: Khác với bể Aerotank phải liên tục theo dõi chỉ số SVI và tuần hoàn bùn phức tạp, bể MBBR gần như tự vận hành. Vi sinh vật tự điều chỉnh độ dày, không cần tuần hoàn bùn (hoặc tuần hoàn rất ít).
Dễ dàng nâng cấp hệ thống cũ: Các bể Aerotank, bể kỵ khí cũ đang hoạt động có thể dễ dàng được “nâng cấp” công suất bằng cách thả thêm giá thể MBBR và lắp thêm lưới chắn, biến chúng thành hệ thống IFAS (Integrated Fixed-film Activated Sludge) mà không cần xây thêm bể.
Ít phát sinh bùn dư: So với bùn hoạt tính, lượng bùn dư phát sinh từ quá trình bong tróc biofilm thường ít hơn và dễ lắng hơn.

Ứng dụng thực tế của Giá thể MBBR

Nhờ những ưu điểm vượt trội, giá thể MBBR được ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong hầu hết mọi lĩnh vực cần xử lý nước thải.

Xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

Đây là ứng dụng phổ biến nhất. Các trạm xử lý nước thải tập trung cho khu dân cư, chung cư, tòa nhà văn phòng, khu đô thị mới… sử dụng MBBR để loại bỏ BOD, COD và đặc biệt là Nitơ (Amoni) – nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước mặt.

Xử lý nước thải công nghiệp

Giá thể MBBR đặc biệt hiệu quả với các loại nước thải công nghiệp có nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao và khó phân hủy:

Công nghiệp Thực phẩm và Đồ uống (Bia, Sữa, Tinh bột): Nước thải có tải lượng BOD/COD cực cao. MBBR xử lý hiệu quả mà không cần bể quá lớn.
Công nghiệp Giấy và Bột giấy: Xử lý các hợp chất hữu cơ phức tạp.
Công nghiệp Dệt nhuộm: Nước thải dệt nhuộm chứa các chất màu khó phân hủy. Lớp biofilm già cỗi trong hệ thống MBBR có khả năng thích ứng và phân hủy các hợp chất này.
Công nghiệp Hóa chất, Dược phẩm: Xử lý các dung môi, hóa chất đặc thù.

Xử lý nước thải y tế

Nước thải bệnh viện chứa nhiều chất hữu cơ, vi sinh vật gây bệnh và các hợp chất dược phẩm. Hệ thống MBBR (thường kết hợp với khử trùng) đảm bảo xử lý triệt để trước khi xả ra môi trường.

Xử lý nước thải Nuôi trồng thủy sản

Trong các hệ thống nuôi cá thâm canh tuần hoàn (Recirculating Aquaculture Systems – RAS), Amoni (NH₄⁺) do cá thải ra là độc tố chính. Bể lọc MBBR được sử dụng chuyên biệt cho quá trình Nitrat hóa, chuyển Amoni độc thành Nitrat (NO₃⁻) ít độc hơn, cho phép tái sử dụng nước và tiết kiệm chi phí.

Nâng cấp các trạm xử lý hiện hữu

Như đã đề cập, đây là một ứng dụng “cứu cánh” tuyệt vời. Các nhà máy đang vận hành bể Aerotank bị quá tải, không đạt chuẩn đầu ra? Thay vì đập đi xây lại, giải pháp là:

Lắp lưới chắn ở đầu ra bể Aerotank.
Đổ thêm giá thể MBBR vào bể (tỷ lệ 30-50%).
Hệ thống lập tức được tăng công suất xử lý lên 1.5 – 2 lần mà không cần thêm một mét vuông đất xây dựng nào.

Kết luận

Giá thể MBBR không chỉ là những hạt nhựa đơn thuần, chúng là một cuộc cách mạng trong công nghệ xử lý nước thải. Bằng cách cung cấp một “ngôi nhà” di động với diện tích bề mặt khổng lồ, chúng cho phép hệ vi sinh vật phát triển mạnh mẽ và ổn định, tạo nên một hệ thống xử lý hiệu suất cao, nhỏ gọn và bền bỉ.

Từ việc giải quyết bài toán ô nhiễm cho các khu đô thị chật chội, “cứu” các nhà máy công nghiệp đang quá tải, cho đến việc hỗ trợ ngành nuôi trồng thủy sản, công nghệ MBBR đã và đang chứng minh vai trò không thể thiếu của mình.

Việc hiểu rõ giá thể MBBR là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của nó là chìa khóa để các kỹ sư, chủ đầu tư có thể lựa chọn và triển khai giải pháp xử lý nước thải tối ưu nhất, góp phần bảo vệ môi trường một cách bền vững và hiệu quả.