Nội dung bài viết
Công nghệ MBR (Membrane Bioreactor) trong xử lý nước thải
Công nghệ MBR (Membrane Bioreactor) là giải pháp xử lý nước thải hiện đại kết hợp quy trình sinh học với màng lọc bán thấm. Nước thải đô thị hoặc công nghiệp sau khi qua xử lý sinh học được đưa qua module màng siêu lọc (UF/MF), giữ lại hoàn toàn bùn sinh học và các chất rắn, cho phép nước xử lý đầu ra đạt độ sạch rất cao. MBR được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị và công nghiệp (với quy mô lên tới hàng chục ngàn người. Cấu hình điển hình của hệ thống MBR bao gồm tiền xử lý loại bỏ rác và dầu mỡ, sau đó đưa vào bể vi sinh (tầng yếm khí/nitrification/nitration tùy thiết kế) có các module màng ngâm trong bể hoặc đặt trong bể riêng. Không như bể lắng truyền thống, MBR chủ yếu tách pha rắn bằng màng lọc và hồi lưu sinh khối để duy trì nồng độ bùn cao. Điều này giúp hệ thống MBR vừa tiết kiệm diện tích, vừa tạo ra nước đầu ra với hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) và vi sinh rất thấp.

Nguyên lý hoạt động của MBR
Trong hệ MBR, nước thải đầu vào được xử lý sinh học tương tự bùn hoạt tính: nước thải được bơm vào bể hiếu khí (có thể có thêm giai đoạn kỵ khí hoặc dị khí) để vi sinh ăn các chất hữu cơ. Để tách sinh khối, thay vì sử dụng bể lắng, nước thải sau xử lý sẽ đi qua các module màng lọc vi sinh (MF/UF). Các màng này có kích thước khe rất nhỏ (thường dưới 1 µm) nên giữ lại hoàn toàn sinh khối và các chất rắn. Nước trong (permeate) chảy qua màng ra ngoài, trở thành nước thải đã xử lý; trong khi đó bùn giữ lại được hồi lưu vào bể sinh học. Quy trình này cho phép giữ lại hoàn toàn bùn trong bể và tách rắn hoàn toàn bằng màng
Cấu trúc module màng trong MBR có hai dạng chính: màng sợi rỗng (hollow-fibre) hoặc màng tấm phẳng (flat-sheet). Các module này có thể đặt chìm trong bể vi sinh (immersed MBR) hoặc trong bồn riêng kết nối tuần hoàn với bể vi sinh (side-stream MBR). Để đảm bảo màng luôn thông thoáng, hệ thống MBR thường sử dụng phương pháp sục khí quấy (air scour) quanh màng, thỉnh thoảng kết hợp xả ngược (backwash) định kỳ Nhiệm vụ của gián đoạn sục khí này là làm bong tách màng, hạn chế bám bẩn. Nước thải qua màng thu được là đầu ra permeate với chất lượng rất cao, còn phần cặn và bùn được xử lý như bùn thải.
Đặc điểm thiết kế quan trọng là hệ MBR đòi hỏi tiền xử lý thật tốt: nước thải phải qua song chắn rác, lắng tuyển và lọc sơ bộ (thường đến 1–3 mm) ngay trước màng để tránh hỏng màng Một số hệ có thể có thêm bể tách dầu mỡ (DAF) nếu nước thải nhiều dầu nhờn. Bên cạnh đó, SRT (tuổi bùn sinh học) và HRT (thời gian lưu nước) được thiết kế độc lập: MBR cho phép duy trì SRT rất dài do giữ lại hoàn toàn bùn, từ đó gia tăng nồng độ sinh khối trong bể mà không ảnh hưởng đến lưu lượng nước. Nhờ vậy, MBR có thể hoạt động ổn định ở tải trọng cao hơn và đạt hiệu quả loại bỏ amoni, nitrat hoá tốt hơn các hệ thống truyền thống.
Ưu điểm nổi bật của MBR so với công nghệ truyền thống
Công nghệ MBR đem lại nhiều ưu điểm vượt trội so với bể lắng truyền thống hoặc các hệ bùn hoạt tính thông thường. Đầu tiên, chất lượng nước đầu ra của MBR rất cao: màng lọc với kích thước khe nhỏ đảm bảo loại bỏ gần như toàn bộ TSS, vi sinh và vi khuẩn, dẫn đến nước thải sau xử lý rất trong và ít ô nhiễm hơn. Theo EPA Hoa Kỳ, MBR cho đầu ra ít BOD, TSS và vi khuẩn hơn đáng kể so với bể lắng truyền thống. Ví dụ, hệ MBR thường cho phép nước tái sử dụng trực tiếp cho tưới tiêu, vệ sinh nhà máy, hoặc cấp vào hệ RO khử mặn nhờ độ tinh khiết cao của nước xử lý. Nhiều chương trình tái sử dụng nước (như ở Singapore hay Texas, Mỹ) đã ứng dụng MBR để đạt tiêu chuẩn cấp nước tái sử dụng nghiêm ngặt
Một ưu thế lớn của MBR là đất dành cho công trình nhỏ gọn. MBR loại bỏ hoàn toàn bể lắng thứ cấp lớn và các bước xử lý sau cần thiết. Khi sinh khối được giữ lại hoàn toàn trong bể, nồng độ bùn (MLSS) tăng lên, do đó cùng một lượng bùn chỉ cần bể chứa nhỏ hơn. Điều này giúp MBR tiết kiệm khoảng không gian đáng kể: theo các chuyên gia, MBR “có footprint nhỏ hơn” nhiều so với bể xử lý truyền thống, đặc biệt có lợi khi nâng cấp nhà máy có diện tích hạn chế. Hệ MBR cũng phát thải ít mùi và ồn hơn nhờ không cần thiết bị lắng lớn. Ngoài ra, MBR cho phép tăng SRT mà không cần tăng HRT (nước lưu bể lâu hơn khi cần thiết), giúp thúc đẩy khả năng xử lý các chất khó phân huỷ. Nhờ khoảng giữ bùn dài, MBR phát triển được cộng đồng vi sinh đa dạng, bao gồm vi khuẩn nitrat hoá, nên rất hiệu quả trong loại bỏ nitơ (nitrification). Các nghiên cứu cũng chỉ ra MBR tạo ra ít bùn thải hơn so với bùn hoạt tính truyền thống nhờ tối ưu hóa SRT
Nhìn chung, MBR được đánh giá là công nghệ lý tưởng khi cần đầu ra đạt chất lượng cao hoặc khi đất đai giới hạn. Ví dụ, trong các khu dân cư đô thị hoặc khu công nghiệp đòi hỏi nước sau xử lý tái sử dụng (tưới, rửa, vệ sinh…), MBR thường là lựa chọn hàng đầu dù chi phí cao hơn, vì “nước thải đầu ra MBR đủ sạch để xả vào vùng nhạy cảm hoặc tái sử dụng cho tưới tiêu, xả tràn” theo đánh giá của các chuyên gia

Nhược điểm và hạn chế của công nghệ MBR
Bên cạnh các ưu điểm, MBR cũng có một số hạn chế cần lưu ý. Quan trọng nhất là chi phí. Màng lọc chuyên dụng và thiết bị xử lý kèm theo khiến CAPEX (đầu tư ban đầu) và OPEX (vận hành) của MBR cao hơn đáng kể so với bể hoạt tính truyền thống. Chi phí chế tạo, lắp đặt module màng và hệ thống sục khí phức tạp khiến giá đầu tư trên mỗi m³/ngày thường cao hơn. Ngoài ra, màng lọc có tuổi thọ giới hạn (khoảng 5–10 năm tuỳ loại), nên chi phí thay thế màng cũng đáng kể. Nhiều tài liệu ghi nhận MBR “tốn kém hơn” do phụ thuộc vào công nghệ màng và bảo trì màng
Một nhược điểm kỹ thuật của MBR là bám bẩn màng (fouling). Các màng siêu lọc có lỗ rất nhỏ nên dễ bị nghẹt nếu nước đầu vào chứa nhiều hạt hoặc dầu mỡ. Nếu không có biện pháp tiền xử lý hiệu quả (ví dụ tách dầu, lọc thô), cặn bẩn tích tụ gây giảm lưu lượng lọc, phải ngưng hệ thống để vệ sinh màng bằng hóa chất định kỳ. Nước thải công nghiệp chứa dầu nhờn, chất hoạt động bề mặt hay các hợp chất keo dính sẽ càng dễ gây nghẹt màng và giảm hiệu suất, do đó MBR đòi hỏi tiền xử lý kỹ lưỡng (dissolved air flotation, lắng lọc…). Quá trình làm sạch màng tốn thêm hoá chất và nhân công, kéo dài thời gian bảo trì.
Ngoài ra, MBR tiêu thụ nhiều năng lượng hơn bể lắng truyền thống. Phần lớn năng lượng dùng cho sục khí cung cấp O₂ cho vi sinh và giữ vật liệu màng sạch. Các nghiên cứu cho thấy hệ MBR đô thị trung bình tiêu tốn khoảng 0,4–0,7 kWh/m³ nước xử lý (phần lớn dùng cho máy thổi khí và bơm). MBR cũng cần năng lượng để bơm ly tâm lưu bùn và xả ngược màng khi cần. Do đó, nếu điện đắt, chi phí vận hành sẽ không nhỏ. Cuối cùng, vì MBR tích hợp nhiều công nghệ, hệ thống này phức tạp, đòi hỏi điều khiển và vận hành tay nghề cao. Nhà máy MBR cần đội ngũ kỹ sư chuyên trách, và kinh nghiệm vận hành càng lâu càng giúp ổn định hệ. Nói chung, MBR là công nghệ kỹ thuật cao; nếu yêu cầu xử lý và tiêu chuẩn môi trường có thể đạt được dễ dàng bằng phương pháp đơn giản hơn, việc áp dụng MBR có thể là đầu tư không cần thiết
Ứng dụng thực tế của MBR
Công nghệ MBR được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực do khả năng xử lý hiệu quả và chất lượng đầu ra cao. Trong dân dụng, MBR thường dùng cho các khu đô thị và khu dân cư đông người, các khu resort, khách sạn, cao ốc văn phòng – nơi yêu cầu xả thải chất lượng cao, đồng thời có thể tái sử dụng nước thải. Nhiều dự án cấp ʜớm (ví dụ công ty thành phố, nhà máy khép kín) áp dụng MBR để cải thiện quy trình bùn hoạt tính truyền thống, tiết kiệm diện tích đất và đạt chuẩn xả thải nghiêm ngặt. MBR đặc biệt phù hợp để tái sử dụng nước sinh hoạt trong tưới cây, vệ sinh hoặc cấp trở lại bể lạnh vì “nước đầu ra MBR đủ trong, có thể dùng cho tưới tiêu hoặc bổ sung cho hệ RO”
Trong công nghiệp, MBR được áp dụng rộng rãi cho các loại nước thải có tải lượng chất ô nhiễm cao và dễ phân huỷ như thực phẩm – đồ uống, dược phẩm, chế biến nông sản… Ví dụ, ngành bia, nước giải khát, tinh bột thực vật thường đầu tư MBR để xử lý nước thải lên men có nồng độ BOD cao. Đặc biệt, MBR cho tuổi bùn dài nên hiệu quả loại bỏ nitơ cao, thích hợp với các nước thải dược phẩm, xử lý nước rỉ rác bãi chôn lấp, hóa chất nông nghiệp. Thống kê cho thấy “nước thải công nghiệp dược phẩm hay từ các nhà máy chế biến hữu cơ khó phân huỷ” được xử lý hiệu quả nhờ MBR. Ngoài ra, các khu công nghiệp có nguồn nước thải pha trộn (như khu phi liên ngành hay tổ hợp khu công nghiệp đa ngành) cũng có xu hướng sử dụng MBR để đảm bảo mọi nguồn thải được xử lý sạch.
Trong y tế và sản xuất, MBR cũng đã được ứng dụng xử lý nước thải bệnh viện, nhà máy dược phẩm – nơi yêu cầu khử vi sinh mạnh. MBR cho khả năng loại bỏ vi khuẩn và virus cao hơn, nên là lựa chọn tốt cho nước thải y tế hay bất kỳ nguồn nước nhiễm khuẩn nặng. Ở nhiều nước phát triển, MBR được dùng ở các nhà máy xử lý trung tâm nhằm quay vòng sử dụng nước trong khu vực vì hiệu suất xử lý gần như RO. Ví dụ, Cơ quan cấp nước Singapore và các nhà máy lớn ở Mỹ cũng đã thử nghiệm và xây dựng hệ thống MBR để tăng cường tái sử dụng nước. Tóm lại, bất cứ khi nào chất lượng đầu ra yêu cầu cao, hoặc khi không gian lắp đặt hạn hẹp, MBR đều là giải pháp được ưu tiên.

So sánh MBR với công nghệ SBR, MBBR
So với SBR (Sequencing Batch Reactor) và MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), MBR có một số điểm khác biệt cơ bản. SBR là công nghệ xử lý nước thải theo mẻ (batch): nước thải được bơm vào bể, qua các giai đoạn sục khí – lắng – xả tuần tự trong cùng một bể. SBR chỉ cần một bể duy nhất, chi phí đầu tư thường thấp và dễ vận hành, nhưng nhược điểm là chất lượng đầu ra phụ thuộc vào chu kỳ xả lũ và thường thấp hơn MBR. Trong khi đó, MBR xử lý liên tục và cho ra nước sạch gần như ổn định mọi lúc; lại không phụ thuộc vào chu kỳ nên vận hành linh hoạt hơn. Tuy nhiên, chi phí cho thiết bị màng của MBR cao hơn đáng kể so với SBR.
Với MBBR, công nghệ này sử dụng các vật liệu mang vi sinh (như vi nhựa chuyên dụng) trôi nổi để tăng diện tích bám dính của vi sinh. MBBR thường có chi phí trung bình, không cần màng nhưng vẫn cần bể lắng thứ cấp. Do có thể nâng cao hiệu suất xử lý trong cùng thể tích và dễ cải tạo trên hệ thống cũ (bằng cách thả thêm nhựa vi sinh), MBBR tiết kiệm diện tích hơn bể hoạt tính cổ điển nhưng vẫn kém tiết kiệm so với MBR (vì MBR không cần lắng thứ cấp). Chất lượng đầu ra của MBBR khá tốt (BOD giảm sâu) nhưng vì vẫn có phần rắn trôi nổi nên không tinh khiết bằng MBR. Tóm lại, MBR cho chất lượng nước xử lý cao nhất, dung lượng sinh học lớn nhất, nhưng chi phí cao nhất và vận hành phức tạp nhất. SBR là kinh tế nhất, MBBR là giải pháp trung gian với chi phí và hiệu quả nằm giữa hai công nghệ còn lại.
Chi phí đầu tư, vận hành và bảo trì
MBR có chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX) khá cao do công nghệ màng hiện đại. Các module màng UF/MF chuyên dụng, hệ thống sục khí mạnh, thiết bị bơm và điều khiển tự động làm tăng giá thành lắp đặt. Tuy nhiên, chi phí đã giảm dần theo thời gian nhờ công nghệ màng phát triển. Về chi phí vận hành (OPEX), MBR tiêu tốn điện năng đáng kể (khoảng 0,4–0,7 kWh/m³ nước thải xử lý, chủ yếu cho máy thổi khí và bơm nước). Ngoài ra, cần thường xuyên mua hoá chất tẩy rửa màng (NaOH, axit), chi phí thay màng định kỳ mỗi 5–10 năm, cùng chi phí nhân công kỹ thuật có tay nghề. Do đó, OPEX của MBR cũng thường cao hơn bể cũ nhiều. Để giảm gánh nặng tài chính cho nhà đầu tư, hiện nay có nhiều phương án tài trợ như PPP, BOO/BOOT, cho thuê thiết bị (WaaS) giúp chia sẻ rủi ro vốn.
Tóm lại, hệ MBR đòi hỏi vốn đầu tư lớn và chi phí vận hành không nhỏ. Đổi lại, công nghệ này mang lại hiệu quả xử lý cao và ít giai đoạn xử lý phụ trợ (ví dụ có thể giảm bớt khâu khử trùng hoặc lắng thứ cấp), nên trong một số trường hợp chi phí xây dựng cơ bản có thể bù lại bằng tiết kiệm đất đai hoặc cắt giảm thiết bị khác. Khi lập dự toán, chủ đầu tư cần cân nhắc chi phí năng lượng và thay thế màng cùng với lợi ích môi trường lâu dài.
Các yếu tố cần lưu ý khi thiết kế, lắp đặt hệ MBR
Khi xây dựng hệ thống MBR, kỹ sư phải cân nhắc nhiều yếu tố kỹ thuật. Trước hết là đặc tính nước thải đầu vào: nếu nước thải nhiều dầu mỡ, phải thiết kế thêm bể tách dầu (DAF) trước bể MBR để ngăn bẩn màng. Các tạp chất lớn (rác, sỏi, vải) cũng cần được giữ lại qua song chắn và bể lắng sơ bộ. Ngay trước module màng, cần lắp lưới lọc tinh với khe hở 1–3 mm để giữ hầu hết cặn thô.
Tiếp theo, cấu hình hệ thống: kỹ sư phải chọn loại module (màng phẳng hay sợi) và cấu hình (màng chìm ngâm hay bên ngoài) phù hợp. Màng sợi thường yêu cầu lọc thô 1–2 mm, còn màng tấm cần 2–3 mm. Công suất bể sinh học được tính toán dựa trên lưu lượng trung bình và cực đại, tải trọng chất hữu cơ, yêu cầu SRT và HRT. Thông thường nên áp dụng quy tắc “N+1” – bổ sung một module màng phụ cấp (nhiều hơn thiết kế tối thiểu) để có dự phòng trong bảo trì.
Về vận hành, hệ MBR cần hệ thống bơm đảm bảo áp suất/vakuum thích hợp để hút nước qua màng. Độ sâu chìm của module màng trong bể cũng được xác định để đảm bảo lưu lượng và tránh khí kẹt. Hệ thống sục khí phải cung cấp đủ ôxy cho vi sinh và đủ lưu lượng khí scouring để làm sạch màng. Ngoài ra, thiết kế phải tính đến phương án vệ sinh định kỳ (CIP) cho toàn hệ thống màng khi cần thay màng hoặc tẩy rửa mạnh. Hệ thống kiểm soát tự động (điều khiển lưu lượng màng, áp suất, nồng độ DO, ORP…) rất quan trọng để duy trì vận hành ổn định.

Ví dụ thực tế và dự án ứng dụng MBR
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều dự án ứng dụng MBR với thành công. Ví dụ, ở các nước tiên tiến như Singapore, Úc, Nhật Bản, công nghệ MBR được dùng trong nhiều nhà máy xử lý trung tâm để cho ra nước tái sử dụng đạt chuẩn cao (vd. Singapore dùng MBR để sản xuất nước NEWater cho vệ sinh công cộng). Ở Hoa Kỳ, nhà máy Hyperion (thành phố Los Angeles) đã thử nghiệm MBR với lưu lượng hàng trăm nghìn m³/ngày và ghi nhận khả năng loại bỏ vi khuẩn, virus vượt trội. Trong khu vực ASEAN, một số nhà máy xử lý nước thải khu công nghiệp, nhà máy thực phẩm, bệnh viện ở Thái Lan, Malaysia cũng đã áp dụng MBR và cho thấy kết quả tốt về chất lượng đầu ra và tiết kiệm diện tích.
Tại Việt Nam, mặc dù MBR còn tương đối mới, đã có dự án thí điểm và đầu tư cho các khu đô thị mới, các khu du lịch hoặc khu công nghiệp cao cấp. Một số nhà máy xử lý nước thải khu công nghiệp ở Bình Dương, Đồng Nai cũng đang xem xét nâng cấp bằng công nghệ MBR để đáp ứng tiêu chuẩn xả thải ngày càng nghiêm ngặt. Ví dụ, một nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt cho resort 5 sao tại Đà Nẵng sử dụng MBR đã đưa nước tái sử dụng cho tưới cảnh quan và vệ sinh, cho kết quả nước đầu ra rất sạch, giảm đáng kể chi phí điện xử lý so với hóa chất khử trùng trước đó.