Lọc sinh học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và nguyên lý hoạt động

Lọc sinh học (biofiltration) là phương pháp xử lý nước, khí hoặc môi trường ô nhiễm bằng cách cho dòng ô nhiễm tiếp xúc với lớp vật liệu lọc mang hệ vi sinh vật đa dạng. Khi ô nhiễm chảy qua hoặc đi qua giường lọc, các vi sinh vật bám dính trên bề mặt vật liệu sẽ hấp phụ và chuyển hóa các chất gây ô nhiễm thành sản phẩm ít độc hại hơn, chủ yếu là CO₂, H₂O và sinh khối vi sinh.

Nguyên lý hoạt động của lọc sinh học dựa trên quá trình hình thành màng sinh học (biofilm) – một lớp tế bào vi sinh bám chặt vào vật liệu lọc, tạo thành môi trường ẩm ướt thuận lợi cho trao đổi chất và phản ứng enzyme. Các thông số quan trọng bao gồm lưu lượng dòng chảy, nồng độ ô nhiễm, độ ẩm, nhiệt độ và độ hòa tan oxy, quyết định hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm.

Dòng ô nhiễm tiếp xúc với lớp màng sinh học theo hai cơ chế chính: hấp phụ bề mặt (adsorption) và phân hủy sinh học (biodegradation). Trong đó, hấp phụ bảo đảm nồng độ chất ô nhiễm giảm ngay lập tức, còn phân hủy sinh học diễn ra chậm hơn nhưng bền vững, giúp tái tạo bề mặt lọc và ngăn ngừa bão hòa ô nhiễm.

Đặc điểm vi sinh vật và màng sinh học

Hệ vi sinh vật tham gia biofiltration rất đa dạng, bao gồm vi khuẩn dị dưỡng (Pseudomonas, Bacillus), nấm men (Candida, Saccharomyces) và vi tảo (Chlorella, Spirulina). Mỗi nhóm đóng vai trò khác nhau: vi khuẩn chủ yếu phân hủy hợp chất hữu cơ phức tạp, nấm men phân hủy hợp chất thơm khó tiêu, trong khi vi tảo sản xuất oxy giúp duy trì hoạt động hô hấp kỵ khí.

Màng sinh học hình thành qua các giai đoạn: bám dính sơ cấp của tế bào lên bề mặt, phát triển và sản sinh chất nền ngoại bào (EPS), ổn định cấu trúc ba chiều và tái sinh. Độ dày màng thường dao động 0,5–2 mm, đủ để sinh khối phát triển mà không gây tắc nghẽn nhanh.

• Giai đoạn bám dính: tế bào vi sinh tiếp xúc và bám vào bề mặt vật liệu qua lực tĩnh điện và hydrophobic.
• Giai đoạn tăng trưởng: tế bào nhân lên, tiết EPS, tạo mạng lưới keo dính.
• Giai đoạn ổn định: cấu trúc màng bền, khả năng chịu biến động dòng và tải ô nhiễm cao.

Đặc tính vận hành của màng sinh học phụ thuộc khả năng giữ ẩm, độ xốp của vật liệu và nồng độ oxy hòa tan (≥2 mg/L cho xử lý nước, ≥40% độ ẩm cho lọc khí). Kiểm soát pH (6,5–8,0) và nhiệt độ (20–35 °C) giúp duy trì hoạt tính enzyme và hấp thu chất ô nhiễm tối ưu.

Vật liệu lọc và cấu trúc

Vật liệu lọc đóng vai trò khung đỡ cho màng sinh học và cung cấp diện tích bề mặt lớn để vi sinh bám phát triển. Các vật liệu phổ biến bao gồm:

• Sỏi, đá cuội: giá thành thấp, độ bền cơ học cao, thường dùng trong hệ lọc nước thải sinh hoạt.
• Than hoạt tính: diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao, thích hợp xử lý nước uống và chất khử màu.
• Polyurethane foam: cấu trúc rỗng đa chiều, dễ điều chỉnh kích thước lỗ, sử dụng phổ biến cho lọc khí và khí thải công nghiệp.
• Vật liệu tổng hợp đa rỗng: gốm xốp, viên nhựa trao đổi ion cứng hóa, cho phép tùy biến tính năng hấp phụ và trao đổi ion.

Vật liệu	Kích thước	Diện tích bề mặt	Ứng dụng
Sỏi	5–15 mm	0,02 m²/g	Xử lý nước thải sinh hoạt
Than hoạt tính	0,5–2 mm	800–1200 m²/g	Khử màu, nước uống
PU Foam	10–30 pores/inch	50–150 m²/g	Lọc khí VOC, H₂S

Lựa chọn vật liệu cần cân nhắc độ bền hóa học, khả năng chịu tải sinh khối và chi phí bảo trì. Trong thực tế, có thể kết hợp nhiều vật liệu để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

Các loại và cấu hình hệ thống

Tuỳ theo mục tiêu xử lý (nước hoặc khí) và điều kiện vận hành, hệ thống lọc sinh học được thiết kế dưới các dạng chính:

1. Trickling biofilter: nước thải được phun đều lên giường vật liệu, chảy ngược xuống bể thu, thích hợp xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp nhẹ.
2. Submerged biofilter: giường vật liệu ngập hoàn toàn trong bồn oxi hoá, thường kết hợp belows aeration, áp dụng cho nước thải có tải BOD cao.
3. Biofilter khí: khí thải đi qua giường vật liệu ẩm, vi sinh bám phát triển trên bề mặt, loại bỏ VOC, H₂S, NH₃ trong không khí nhà máy và trang trại.
4. Membrane biofilter: kết hợp màng vi lọc và biofilm, cho hiệu quả xử lý cao với footprint nhỏ, dùng trong nước cấp và nước thải tinh.

Mỗi cấu hình có ưu nhược điểm riêng: trickling đơn giản nhưng dễ tắc nghẽn; submerged tăng hiệu suất nhưng tốn diện tích và năng lượng khuấy trộn; biofilter khí cần kiểm soát độ ẩm; membrane biofilter đạt hiệu quả cao song chi phí đầu tư lớn.

Thông số thiết kế và vận hành

Thời gian lưu (hydraulic retention time – HRT) trong hệ lọc sinh học nước thải thường dao động 2–6 giờ, phụ thuộc nồng độ BOD và COD. HRT tối ưu đảm bảo đủ thời gian sinh khối vi sinh phân hủy ô nhiễm mà không làm tăng nguy cơ bão hòa vật liệu lọc.

Vận tốc dòng khí trong biofilter khí cần kiểm soát ở mức 0,1–0,5 m/s để đảm bảo tiếp xúc hiệu quả giữa khí và biofilm, đồng thời giữ ẩm cho sinh khối. Độ ẩm của lớp vật liệu duy trì 40–60 % qua hệ thống phun sương định kỳ hoặc bồn tuần hoàn nước.

Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong nước ≥2 mg/L, pH duy trì 6,5–8,0 và nhiệt độ 20–35 °C giúp enzyme vi sinh hoạt động tốt nhất. Tải trọng hữu cơ (organic loading rate – OLR) khuyến nghị từ 0,1–2 kg BOD/m³·ngày cho biofilter nước (EPA NPDES).

Ứng dụng trong xử lý nước thải

Biofiltration được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, chế biến gỗ và dệt nhuộm. Hiệu suất loại bỏ BOD₅ đạt 85–95 %, COD giảm 70–85 % sau 3–5 ngày vận hành liên tục.

Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, hệ trickling filter kết hợp bể lắng sơ cấp giúp giảm tải chất béo và tinh bột trước khi vào hệ biofilter, tránh bám nghẽn vật liệu. Ở dệt nhuộm, biofilter khử màu và phenolic đạt 60–75 % hiệu quả, kết hợp than hoạt tính tăng khả năng hấp phụ màu (J Clean Prod).

• Hệ kết hợp: bể sàng – bể lắng – biofilter – bể khử trùng.
• Thời gian thiết kế: HRT 4 giờ, OLR 1 kg BOD/m³·ngày.
• Chi phí vận hành: 0,05–0,10 USD/m³ nước tùy quy mô.

Ứng dụng trong xử lý khí thải và mùi

Biofilter khí xử lý VOC, H₂S, NH₃ trong không khí trang trại chăn nuôi, bãi rác và nhà máy giấy. Hiệu suất khử H₂S đạt 80–95 %, VOC giảm 60–85 % ở nồng độ vào 50–300 ppm và tải khí 50–150 m³/m²·giờ (WHO Air Quality).

Hệ thống gồm giường vật liệu xốp bọc biofilm, đảm bảo ẩm ướt và tuần hoàn dinh dưỡng. Độ ẩm và pH của giường duy trì 40–60 % và 6,8–7,2 bằng cách bổ sung dung dịch dinh dưỡng định kỳ 1–2 lần/ngày.

So với hấp phụ than hoạt tính, biofilter thân thiện môi trường, chi phí vận hành thấp hơn 30 % và sinh khối cuối chu trình có thể tái sử dụng làm phân bón sau khử trùng.

Ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)

Trong hệ RAS, biofilter chịu trách nhiệm chuyển hóa độc tố nitơ: NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ qua quá trình nitrat hóa. Vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter bám vào vật liệu lọc thực hiện hai giai đoạn này.

Điều kiện vận hành: nhiệt độ 25–30 °C, pH 7,5–8,5 và DO ≥5 mg/L. Thời gian lưu nước trong biofilter 1–2 giờ, diện tích vật liệu 0,5–1 m² cho 1 m³ nước tuần hoàn. Kết quả đạt amoniac <0,1 mg/L và nitrit <0,5 mg/L duy trì môi trường an toàn cho cá, tôm.

Biofilter RAS giúp giảm thay nước đến 95 %, tiết kiệm nước và tối ưu hóa kiểm soát chất lượng môi trường. Chi phí vận hành khoảng 0,02 USD/kg tôm sản xuất.

Ưu điểm và thách thức

Ưu điểm: chi phí vận hành thấp, sử dụng năng lượng tối thiểu, thân thiện môi trường, không tạo bùn thải. Biofiltration dễ dàng mở rộng và thích ứng với tải ô nhiễm biến động.

Thách thức: nguy cơ tắc nghẽn vật liệu do sinh khối tích tụ, cần rửa ngược định kỳ; duy trì độ ẩm và oxy trong biofilter khí; ổn định vi sinh trong mùa lạnh (nhiệt độ <15 °C).

• Giải pháp rửa ngược hàng tuần và bổ sung dinh dưỡng (N–P–K).
• Đặt biofilter trong nhà hoặc biệt lập nhiệt để duy trì 20–30 °C.
• Sử dụng vật liệu có cấu trúc rỗng lớn để giảm tắc nghẽn.

Giám sát và bảo trì

Theo dõi định kỳ các chỉ số BOD, COD, NH₄⁺, NO₂⁻, pH, DO và lưu lượng đầu/cuối hệ thống hàng tuần để đánh giá hiệu suất. Sử dụng cảm biến tự động kết nối PLC/SCADA để cảnh báo khi hiệu suất giảm dưới ngưỡng 80 %.

Bảo trì vật liệu lọc bao gồm rửa ngược (backwash) bằng nước và khí, thay thế 5–10 % vật liệu hư hại mỗi năm. Kiểm tra sinh khối vi sinh qua quan sát bằng SEM và đo ATP ngoại bào để đánh giá hoạt tính sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. United States EPA. Wastewater Technology Fact Sheet: Trickling Filter. 2013. Link
2. World Health Organization. Air Quality Guidelines. 2021. Link
3. Mollet M., Hernandez S. Biofiltration for Air Pollution Control. CRC Press. 2002.
4. Yonar T. A comprehensive review of wastewater biofiltration systems. J Environ Manage. 2020.
5. Summerfelt ST. Ammonia and nitrite removal by biofilters in aquaculture. Aquacult Eng. 2006.