Sponge-MBR kết hợp ozone hóa loại bỏ kháng sinh trong nước thải y tế

Hình ảnh các khu đất ô nhiễm ngập trong rác, nước thải đen ngòm đổ thẳng xuống dòng sông đặc quánh, không phải là cảnh tượng khó gặp ở những thành phố với mật độ dân cư đông đúc. Việc xử lý nước thải sinh hoạt vốn đã khó, song đối với các nhà khoa học, việc xử lý nước thải y tế lại còn là một bài toán phức tạp hơn nhiều, bởi nước thải y tế chứa nhiều vi khuẩn, virus gây bệnh, nồng độ nitơ cao.

PGS.TS Bùi Xuân Thành.

Sơ đồ xử lý nước thải bằng công nghệ Sponge-MBR. Ảnh: Tạp chí Khoa học trường ĐH Cần Thơ

“Tình trạng sử dụng kháng sinh ở nước ta khá phổ biến, nhiều loại kháng sinh có hoạt tính rất cao nên vấn đề nước thải y tế ở trong các bệnh viện, trạm y tế và cơ sở chăm sóc sức khỏe cần được quan tâm đúng mức để đảm bảo các yếu tố quy chuẩn về an toàn kỹ thuật trước khi thải loại ra môi trường bên ngoài”, TS. Võ Thị Kim Quyên (Phòng thí nghiệm trọng điểm xử lý chất thải bậc cao, trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-TP.HCM) chia sẻ trong khuôn khổ chuỗi sự kiện Chợ công nghệ và thiết bị (Techmart) chuyên ngành Y tế & Chăm sóc sức khỏe cộng đồng năm 2022 vừa diễn ra vào tuần trước. Theo chị, điều này sẽ giúp tránh nguy cơ ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm môi trường cũng như hạn chế hình thành các mầm bệnh đột biến kháng kháng sinh nguy hiểm.

 

Các bệnh viện trong nước hiện nay thường sử dụng những công nghệ xử lý nước thải như hệ thống hiếu khí thông thường, bể phản ứng sinh học CN 2000, bể kỵ khí/ tự hoại - xử lý hóa lý, công nghệ tiên tiến AAO, SBR, lọc than hoạt tính v.v. Tuy nhiên, các công nghệ đều bộc lộ những nhược điểm lớn, ví dụ như sinh nhiều bùn thải, hiệu quả xử lý nitơ không cao, đặc biệt là amoni thường vượt tiêu chuẩn, và chưa được ghi nhận có khả năng xử lý chất kháng sinh. Trong khi đó, một khảo sát gần đây cho thấy có bảy chất kháng sinh được tìm thấy nhiều nhất trong nước thải ở một số bệnh viện Việt Nam, gồm sulfamethoxazole, norfloxacin, ciprofloxacin, ofloxacin, erythromycin, tetracycline và trimethoprim. Những chất kháng sinh này nếu “lọt” ra ngoài môi trường, sẽ để lại những hệ lụy lớn theo thời gian.

 

Trước thực trạng đó, công nghệ màng sinh học (Membrane Bioreactor - MBR) được xem là một ứng viên tiềm năng giúp giải quyết những hạn chế trên. Công nghệ MBR có nhiều ưu điểm hơn so với bùn hoạt tính thông thường. Ưu điểm vượt trội của MBR là khả năng lọc hiệu quả giúp nước thải sau xử lý có thể được tái sử dụng, diện tích hệ thống xử lý nhỏ gọn, thời gian lưu bùn dài, lượng bùn sinh ra thấp và vận hành linh hoạt. Công nghệ MBR kết hợp giữa bùn hoạt tính hiếu khí và màng lọc, với nhiệm vụ phân tách tuyệt đối pha rắn-lỏng, tách sinh khối ra khỏi hỗn hợp sinh khối và nước thải, từ đó loại bỏ được chất kháng sinh có trong nước thải. “Những lợi ích trên đã giúp công nghệ này trở nên phổ biến trên thế giới trong những năm gần đây”, TS. Quyên cho hay.

 

Tuy nhiên, một hạn chế của công nghệ MBR là vấn đề bẩn màng. “Sau một thời gian vận hành, bùn sẽ bám vào bề mặt màng, khiến màng bị nghẹt lại và nước không thể đi qua được”, chị cho biết. Đây là nhược điểm lớn gây cản trở việc ứng dụng công nghệ MBR vào xử lý chất kháng sinh trong nước thải y tế tại Việt Nam. “Làm thế nào để hạn chế tình trạng bẩn màng?” - câu hỏi này đã đeo đuổi TS. Võ Thị Kim Quyên và các cộng sự, thúc đẩy họ tìm kiếm một giải pháp hữu hiệu.

 

Kết hợp giá thể lơ lửng

 

Là phòng thí nghiệm trọng điểm chuyên nghiên cứu các công nghệ xanh giúp xử lý nước thải, PGS.TS Bùi Xuân Thành - trưởng phòng thí nghiệm, TS. Võ Thị Kim Quyên và các cộng sự, từ những kinh nghiệm của mình, cuối cùng đã phát hiện ra một vật liệu có thể giải quyết được bài toán này: giá thể lơ lửng (sponge).

 

Các giá thể này giúp tăng cường cọ rửa bề mặt màng và tăng trưởng các màng sinh học trên các giá thể, cải thiện hiệu quả xử lý của hệ thống MBR. Cụ thể, các nhà khoa học sẽ kết hợp hệ thống MBR với giá thể sponge - những giá thể này chuyển động lơ lửng trong hỗn hợp bùn hoạt tính, tạo điều kiện cho loại hình tăng trưởng bám dính của sinh khối phát triển song song với sinh khối tăng trưởng lơ lửng trong bể bùn hoạt tính, và khả năng phân tách chất lỏng/rắn của màng lọc. Ưu điểm của sponge MBR là nồng độ sinh khối cao giúp hệ thống vận hành ở tải trọng cao, giảm được diện tích bể phản ứng và tăng hiệu quả xử lý của hệ thống. Các giá thể sponge còn giúp giảm bẩn màng do sự bám dính của các chất lơ lửng và chất keo lên sponge, bên cạnh đó sự cọ xát giữa sponge với bề mặt màng làm giảm lớp bùn trên bề mặt màng.

 

Trên thực tế, nhóm nghiên cứu không phải là những người đầu tiên áp dụng phương pháp này. Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới tận dụng các ưu điểm của công nghệ MBR vào lĩnh vực xử lý tái sử dụng nước thải bằng cách kết hợp với các loại giá thể lơ lửng sponge. Các nghiên cứu đều cho thấy tốc độ bẩn màng tăng gấp đôi khi không có các giá thể trong bể. Tuy nhiên, hầu như vẫn chưa có nghiên cứu nào chứng minh hiệu quả của công nghệ này trong việc xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải y tế, tại Việt Nam.

 

Theo đó, để kiểm chứng hiệu quả, từ đó có những phương án điều chỉnh hợp lý với điều kiện đặc thù của mỗi loại nước thải, nhóm nghiên cứu đã tiến hành tạo ra giá thể sponge dạng xốp từ chất liệu Polyurethane với tỉ trọng 18.2 kg/m³, cắt thành hình lập phương 2 cm x 2 cm x 2 cm, cho chúng di chuyển tự do trong bể MBR nhờ vào lực nâng của bọt khí.

 

Theo, TS. Võ Thị Kim Quyên, công nghệ Sponge-MBR được thiết kế gồm một bể vi sinh hiếu khí (bùn thải trong bể sẽ tồn tại ở trạng thái lơ lửng) hay bể kị khí; các lớp màng vi lọc sinh học MBR dạng tấm hoặc sợi; giá thể lơ lửng sponge. Khi quá trình xử lý diễn ra sẽ giúp cho hai loại vi sinh vật sống lơ lửng bên ngoài và vi sinh vật dính bám bên trong của giá thể sponge (gồm vi sinh hiếu khí, thiếu khí và kị khí) phát triển mạnh. Điều này làm cho cộng đồng vi sinh vật trong bể xử lý đa dạng hơn, quá trình xử lý sẽ đạt hiệu quả cao hơn, đặc biệt khi sử dụng giá thể chuyển động lơ lửng sponge với quá trình thổi khí trong bể xử lý sẽ giúp hạn chế được nhược điểm nghẹt màng của các lớp màng MBR do bám bùn.

 

“Bên cạnh xử lý nước thải y tế bằng công nghệ màng Sponge-MBR, chúng tôi còn tích hợp thêm quá trình ozone hóa loại bỏ kháng sinh”, TS. Quyên bổ sung. Tiến hành khảo sát và kiểm tra thành phần, tính chất cũng như nồng độ ô nhiễm hữu cơ, các chất ô nhiễm dinh dưỡng và kháng sinh có trong nước thải y tế tại bệnh viện Trưng Vương, nhóm nghiên cứu đã lên phương án sử dụng 2 bể Sponge-MBR khác nhau với 1 bể có màng MBR dạng tấm và 1 bể có màng MBR dạng sợi rỗng, cả 2 bể được thiết lập hoạt động trong cùng một thời điểm với ba thông lượng 10, 15 và 20 lít/m²/giờ (LMH). Để đánh giá được tính hiệu quả và mức độ phù hợp của bể xử lý, nhóm nghiên cứu dựa vào các thông số như thông lượng hoạt động, khả năng loại bỏ chất kháng sinh và khả năng bẩn màng của hệ thống.

 

Sau quá trình vận hành cả hai hệ thống với thông lượng 10 và 15 LMH, nhóm nghiên cứu nhận thấy không có sự khác biệt giữa sinh khối lơ lửng trong bể và sinh khối lơ lửng trong giá thể Sponge. Tuy nhiên, khi tăng thông lượng lên 20 LMH thì vi sinh bám dính trong giá thể Sponge sẽ cao hơn so với vi sinh lơ lửng bê trong bể. Đồng thời, nồng độ vi sinh ở màng Sponge-MBR dạng tấm sẽ cao hơn với nồng độ vi sinh ở màng Sponge-MBR dạng sợi rỗng. Nhiều nghiên cứu khác cũng đã chứng minh rằng, vi sinh ở trạng thái bám dính có hoạt tính nhiều hơn so với vi sinh ở trạng thái lơ lửng. Ngoài ra, với chỉ số bẩn màng thì bể có màng MBR dạng tấm sẽ bẩn hơn so với bể có màng MBR dạng sợi rỗng.

 

Các chỉ số xử lý như chất hữu cơ COD ở 2 loại bể đều cho kết quả xử lý từ 90 - 95%; xử lý nitơ thì ở thông lượng 15 LMH cho kết quả tốt hơn với từ 30-35% so với một bể hiếu khí thông thường; ở các loại kháng sinh như norfloxacin, ciprofloxacin, ofloxacin hiệu quả xử lý rất cao từ 97-99%, riêng sulfamethoxazole ở 2 loại màng xử lý đều cho kết quả rất thấp, thậm chí không hiển thị kết quả (do đây là một loại kháng sinh rất khó xử lý). Còn với các loại kháng sinh như: erythromycin và trimethoprim được loại bỏ sau quá trình xử lý khoảng 45 - 93%, riêng tetracycline được loại bỏ hoàn toàn (100%). Để tăng cường loại bỏ kháng sinh, quá trình ozone hóa được đưa vào để xử lý dòng thấm. Hiệu quả tổng thể là 97±2% (trimethoprim), 92±4% (norfloxacin), 90±1% (erythromycin), 88±4% (ofloxacin), 83±7 (ciprofloxacin) và 66±1% (sulfamethoxazole).

 

Như vậy, nguồn nước sau khi được xử lý bằng công nghệ Sponge-MBR sẽ cho chất lượng cao hơn, đủ để xả thải ra các tuyến đường thủy lợi hoặc thu hồi để tưới cây. Bên cạnh đó, công nghệ Sponge-MBR còn có nhiều ưu điểm như không cần xây dựng thêm các bể lắng, kích thước bể nén bùn cũng không cần quá lớn giúp giảm chi phí, diện tích cũng như thời gian xây dựng. Thời gian lưu nước chỉ từ 2 - 5 giờ, trong khi những bể truyền thống thường mất hơn 6 giờ. Đáng chú ý, với nồng độ bùn hoạt tính trong bể cao nên có thể giảm thiểu tình trạng bùn nổi như những bể xử lý truyền thống khác.

 

Những kết quả này đã chứng minh việc ứng dụng công nghệ Sponge-MBR cùng với quá trình ozon hóa là công nghệ tiềm năng để xử lý nước thải y tế cũng như giúp loại bỏ kháng sinh trong quá trình xử lý nước thải với hệ thống các bệnh viện, trạm y tế và cơ sở chăm sóc sức khỏe. Với những ưu điểm trên, phương pháp xử lý nước thải y tế bằng màng sinh học (MBR) kết hợp giá thể di động (sponge) đã được Cục Sở hữu Trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-2015-00034 vào ngày 25/9/2019.