Tạp chí 《Nature》 đăng bài viết về một bước đột phá mới trong công nghệ MBBR: Làm thế nào một “chất mang hình chữ V” mới giải quyết được vấn đề tắc nghẽn và thổi luồng sinh khí mới vào thị trường vật liệu lọc mật độ cao

Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) ở Hàn Quốc đã công bố một nghiên cứu mới trên tạp chí *Nature Communications* về tối ưu hóa cấu trúc của các chất mang MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Các nhà nghiên cứu đã đề xuất thiết kế chất mang hình chữ V, được gọi là “Chiến lược thủy-hình thái”, cho phép kiểm soát chủ động quá trình phát triển màng sinh học bằng cách thay đổi các đường dẫn chất lỏng bên trong chất mang. Đối với các chuyên gia trong ngành đã theo dõi sự phát triển của công nghệ chất mang sinh học MBBR từ lâu, nghiên cứu này đã thu hút sự chú ý không chỉ vì sự thay đổi hình dạng chất mang, mà còn vì nó cố gắng giải quyết một thách thức kỹ thuật lâu dài: tắc nghẽn và giảm hiệu quả truyền khối do sự dày lên quá mức của màng sinh học. Trong các hệ thống MBBR truyền thống, khi thời gian hoạt động tăng lên, vi sinh vật liên tục bám vào bề mặt chất mang và hình thành màng sinh học. Sau một thời gian sử dụng, các màng sinh học này dày lên. Thực tế, mặc dù tổng sinh khối vi sinh vật trong hệ thống tăng lên - điều này, về lý thuyết, sẽ cải thiện hiệu quả tổng thể - nhưng hiệu quả khuếch tán thực tế của oxy và chất ô nhiễm vào màng sinh học lại giảm đi.

Chúng tôi đã gặp phải vấn đề tương tự trong dự án xử lý nước thải chế biến thực phẩm ở Đông Nam Á; sau vài năm vận hành, sự tích tụ màng sinh học bên trong các vật liệu lọc thường trở nên rất dễ nhận thấy. Tại nhiều cơ sở xử lý nước thải, vật liệu lọc MBBR và thiết bị sục khí vi xốp thường cần được súc rửa hoặc thay thế sau vài năm vận hành, đây là một công việc lớn. Điều thú vị là, quản lý màng sinh học dài hạn đã trở thành chủ đề được thảo luận nhiều hơn với khách hàng so với chỉ riêng diện tích bề mặt vật liệu lọc. Theo nhóm nghiên cứu, cấu trúc hình chữ V mới lạ làm thay đổi đường đi của nước bên trong vật liệu lọc, tạo ra các mức độ ứng suất cắt thủy lực khác nhau trên các vùng khác nhau. Khi màng sinh học phát triển quá mức, ứng suất cắt cục bộ cao hơn sẽ thúc đẩy sự bong tróc của màng sinh học cũ; ngược lại, ở những khu vực cần duy trì sinh khối hoạt động, môi trường bám dính tương đối ổn định được bảo tồn. Các nhà nghiên cứu mô tả cơ chế này như một phương pháp kiểm soát màng sinh học với đặc tính “tự điều chỉnh”. Dựa trên kết quả thực nghiệm, thiết kế này cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc duy trì sự ổn định của màng sinh học và ngăn ngừa tắc nghẽn bên trong. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu nó có thể duy trì hiệu suất tương đương trong điều kiện biến động mạnh về đặc tính nước thải hay không; cần phải xác thực thêm thông qua các dự án thực tế để được thị trường chấp nhận.

Từ góc độ phát triển của ngành công nghiệp chúng ta, nghiên cứu này đưa ra một tín hiệu đáng chú ý: trọng tâm cạnh tranh trong tương lai đối với các vật liệu lọc MBBR có thể đang chuyển từ việc chỉ đơn thuần tăng diện tích bề mặt riêng sang việc chú trọng hơn vào thiết kế thủy động lực học và khả năng quản lý màng sinh học. Trong thập kỷ qua, các nỗ lực tối ưu hóa đối với hầu hết các sản phẩm vật liệu lọc MBBR đã tập trung vào các chỉ số như diện tích bề mặt hiệu quả, tốc độ hình thành màng sinh học và độ bền vật liệu. Tuy nhiên, nghiên cứu này cho thấy việc chủ động kiểm soát độ dày màng sinh học thông qua thiết kế cấu trúc có thể trở thành hướng đi quan trọng cho nghiên cứu và phát triển vật liệu lọc thế hệ tiếp theo. Đối với các nhà sản xuất vật liệu lọc MBBR, điều này cũng ngụ ý rằng các thiết kế hệ thống trong tương lai sẽ chú trọng hơn vào sự phối hợp giữa vật liệu lọc và hệ thống sục khí. Tuy nhiên, một câu hỏi thực tế vẫn chưa được giải đáp: liệu các hình dạng bên trong phức tạp như vậy có thể được sản xuất ở quy mô lớn một cách hiệu quả về chi phí hay không? Chúng tôi nhận thấy rằng trong những năm gần đây, ngày càng nhiều khách hàng từ các hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS), các dự án nâng cấp nước thải công nghiệp và các dự án xử lý nước thải đô thị tải trọng cao đã bắt đầu tập trung vào sự ổn định hoạt động ở mật độ đóng gói cao hơn. Khi mật độ đóng gói tiếp tục tăng, các thách thức về truyền khối và tắc nghẽn mà các vật liệu lọc truyền thống gặp phải trở nên rõ rệt hơn. Giá trị của nghiên cứu về cấu trúc mang hình chữ V không chỉ nằm ở việc đề xuất một thiết kế cấu trúc mới mà còn ở việc cung cấp một phương pháp kỹ thuật mới cho sự phát triển trong tương lai của các hệ thống MBBR mật độ cao.