Theo ước tính trên thế giới có khoảng 17% – 20% ô nhiễm nước công nghiệp là do ngành công nghiệp dệt may gây ra. Thành phần nước thải của các nhà máy dệt may khá phức tạp vì sự đa dạng về chủng loại thành phần hóa chất, nên nước thải có nhiều màu sắc khác nhau, độ pH cao, chất thải bền và độc. Thuốc nhuộm có độc tính cao có thể gây ung thư cho con người và gây nhiều bệnh khác: viêm da, gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương.

Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải dệt may có thể áp dụng các quá trình như oxy hóa hóa học, quá trình xử lý sinh học, quá trình lọc màng, quá trình hấp phụ. Trong đó quá trình sinh học màng (MBR) cho thấy hiệu quả vượt trội trong quá trình vận hành và xử lý nước thải công nghiệp (kể cả nước thải chứa chất ô nhiễm vi mô) so với các công nghệ xử lý thông thường khác. Quá trình sinh học màng MBR là quá trình kết hợp hai quy trình xử lý phụ thuộc lẫn nhau bao gồm: xử lý sinh học và lọc màng. Quá trình MBR có lợi thế khi lượng bùn tạo ra thấp hơn và có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ khó phân hủy cao hơn so với quá trình xử lý bùn hoạt tính thông thường. Tuy nhiên, sự tắc nghẽn của màng cũng là nhược điểm của quá trình MBR, quá trình hoạt động làm tăng áp suất qua màng (TMP), dẫn đến chi phí vận hành màng cao hơn và làm giảm tuổi thọ của màng.

Công nghệ xử lý bằng quá trình sinh học màng MBR có tiềm năng nhiều ứng dụng, trong đó có xử lý nước thải dệt may. Một số nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt may bằng công nghệ MBR. Năm 2005, Schoeberl và cộng sự đã nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý COD và màu trong nước thải dệt may với hiệu suất xử lý lần lượt là 89% - 94% và 65% - 91%. Bên cạnh đó, nghiên cứu của Brik và cộng sự đã báo cáo rằng, khoảng 60% - 95% COD được xử lý và hiệu suất xử lý màu đạt từ 46% - 98,5% ở bước sóng 525 nm bằng quá trình MBR.

Nghiên cứu này, tập trung đánh giá khả năng xử lý thuốc nhuộm DB86 bằng công nghệ MBR. DB86 là một loại thuốc nhuộm thương mại, được sử dụng rộng rãi trong in ấn trên các loại vải và nhuộm lụa, len. Khả năng xử lý DB86 bằng quá trình sinh học màng MBR với các điều kiện nghiên cứu về chế độ sục khí/ngừng sục khí, mật độ sinh khối MLSS, thời gian lưu bùn SRT, thời gian lưu thủy lực HRT ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý thuốc nhuộm DB86.

1. Phương pháp nghiên cứu

1.1. Hóa chất

Thuốc nhuộm DB86 có công thức C₃₂H₁₄CuN₈Na₂O₆S₂ – Merck, 99%. Cấu trúc hóa học của DB86. Mẫu nước đầu vào của hệ sinh học màng MBR là mẫu nước thải nhân tạo, được pha từ nước cất 2 lần và được tiền xử lý bằng quá trình fenton điện hóa và thuốc nhuộm DB86 có nồng độ 200 mg/L, pH = 6,5 - 7,5; nồng độ COD = 300 – 400 mg/L.

DB86 có khối lượng phân tử 780,17 g/mol, bước sóng hấp thụ tối đa ở λ = 594 nm. Các hoá chất khác được sử dụng trong nghiên cứu gồm: Glucozơ (Merck, 99,7%), NaHCO₃ (Merck, 99,7%), NH₄Cl (Merck, 99,8%), K₂HPO₄ (Merck, 99%), FeSO₄.7H₂O (Merck, 99,5%), MgSO₄.4H₂O (Merck, 99%), ZnSO₄.7H₂O (Merck, 99%). Các hóa chất này được cung cấp trong dung dịch đầu theo tỷ lệ như trong Bảng 1 mô tả nguồn dinh dưỡng cần cung cấp để duy trì sự phát triển của vi sinh vật với tỉ lệ chất dinh dưỡng COD:N:P = 100:5:1.

1.2. Quá trình thực nghiệm

Hệ thí nghiệm trong quá trình sinh học màng MBR được thiết kế gồm một bể phản ứng sinh học hiếu khí với dung tích hữu ích là 36 lít (kích thước bể là: 30 cm* 30 cm* 50 cm), bể chứa bùn hoạt tính được nuôi trong phòng thí nghiệm trong khoảng 4 tháng bằng các hóa chất theo tỉ lệ chất dinh dưỡng như ở Bảng 1 đến khi nồng độ sinh khối MLSS đạt khoảng 4000 ÷ 7000 mg/L thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm. Mô đun màng lọc là màng sợi rỗng làm từ vật liệu PE (polyethylen), kích thước lỗ lọc tương đương 0,3 µm, chịu áp lực từ 10 ÷ 30 kpa, màng lọc có diện tích bề mặt là 0,4 m2, mođun màng lọc được nhúng ngập chìm trong bể phản ứng sinh học. Máy thổi khí dùng để cung cấp không khí cho vi sinh vật hoạt động trong bể phản ứng với lưu lượng không khí thổi vào từ 6,0 ÷ 8,0 lít không khí/phút đảm bảo duy trì DO trong bể đạt mức từ 4,0 ÷ 5,0 mg/L.

Ngoài việc cung cấp không khí cho vi sinh vật, quá trình sục khí giúp làm giảm bít tắc màng và làm tách các mảng bám cặn trên sợi màng. Sau thời gian xử lý trong hệ MBR, bơm hút có vai trò hút nước sạch khỏi modun màng lọc, được vận hành luân phiên 8 phút hút nước sau xử lý (nước sạch) và 2 phút ngừng hút. Khi độ chênh lệch áp suất qua màng cao hơn 35 kPa sẽ gây ra tắc nghẽn màng, khi đó bơm sẽ tự động ngừng hoạt động và bơm rửa ngược được hoạt động để làm sạch màng. Hệ thống các máy bơm, máy cảm biến (cảm biến mực nước, đo lưu lượng nước, nhiệt độ, pH) được điều khiển bởi hệ thống điều khiển logic (PLC). Sau thời gian xử lý mẫu nước sạch được hút qua màng được đem phân tích COD để đánh giá khả năng xử lý của hệ thí nghiệm bằng quá trình MBR.

1.3. Phương pháp phân tích

Trong nghiên cứu này, nồng độ COD được phân tích bằng phương pháp đicromat (TCVN 6491:1999). Nồng độ COD được tính cho các mẫu chưa xử lý và đã xử lý bằng quá trình MBR. Hiệu suất (%) loại bỏ COD được tính theo công thức (1):

%COD = ((COD_O – COD_S)/COD_O) x 100  (1)

trong đó: CODo là COD ban đầu của mẫu dung dịch xử lý; CODs là COD của mẫu dung dịch sau xử lý.

2. Kết luận

Quá trình sinh học màng MBR được áp dụng trong nghiên cứu này đã cho thấy hiệu quả xử lý tốt đối với giá trị nồng độ COD trong nước chứa thuốc nhuộm DB86. Nghiên cứu này đã đánh giá các yếu tố ảnh hưởng về nồng độ sinh khối (MLSS), thời gian lưu bùn, chế độ sục khí/ngừng sục khí, thời gian lưu thủy lực ảnh hưởng đến khả năng xử lý DB86. Kết quả thực nghiệm cho thấy, hiệu suất xử lý COD đạt trên 95% trong các điều kiện: sục khí/ngưng sục khí S/D: 60 phút/60 phút, nồng độ sinh khối MLSS: 6000 ÷ 7000 mg/L, thời gian lưu thủy lực HRT: 12 h. Các kết quả nghiên cứu đã khẳng định quá trình sinh học màng MBR có tiềm năng ứng dụng tốt để xử lý môi trường nước bị ô nhiễm thuốc nhuộm và các chất hữu cơ.