1. Giới thiệu sơ bộ về FBR:
Công nghệ FBR (Fixed Bed Reactor) là một công nghệ được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, sunfit, ammonia, nitơ…
Dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển, hệ thống FBR (Fixed Bed Reactor) áp dụng tích hợp cả 3 quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng, quá trình tuỳ nghi khử nitơ phốt pho và quá trình vi sinh vật sinh trưởng ở dạng bám dính trên bề mặt giá thể đặt trong hệ thống. Điều kiện để áp dụng quá trình FBR (Fixed Bed Reactor) đòi hỏi cần có sự phân lập và phối hợp cộng sinh hiệu quả của 3 chủng vi sinh:
• Chủng vi sinh hoạt tính lơ lửng: achromobacter, alcaligenes, arthrobacter, citromonas, flavobacterium, zoogloea…
• Chủng vi sinh tuỳ nghi: nitrosomonas, nitrobacter, nitrosospira, dethiobacillus, siderocapsa, methanonas, spirillum, denitrobacillus, moraxella, thiobacillus, pseudomonas …
• Chủng vi sinh dính bám: arcanobacterium pyogenes, staphylococcus aureus, staphylococcus hyicus, streptococcus agalactiae, corynebacterium
Trong quá trình vận hành một hệ thống xử lý nước thải, chi phí vận hành đáng kể nhất của là chi phí điện năng và hoá chất tiêu thụ. FBR có thể giảm thiểu việc sử dụng hoá chất bằng cách tăng nồng độ MLSS của các chủng vi sinh nuôi cấy.
2. Phạm vi ứng dụng
Công nghệ FBR thích hợp ứng dụng trong các lĩnh vực sau:
• Xử lý nước thải cao ốc, khách sạn resort, khách sạn và chung cư nhằm tiết kiệm diện tích xây dựng và giảm chi phí vận hành hệ thống.
• Kết hợp với công nghệ hoá lý và hoá học trong hệ thống xử lý nước thải khu công nghiệp.
* So sánh ưu và khuyết điểm của các công nghệ xử lý nước thải hiện có
2.1. Công nghệ Aerotank truyền thống
Ưu điểm : Đơn giản, chi phí đầu tư thấp. Vận hành dễ dàng.
Nhược điểm : Chiếm nhiều diện tích xây dựng. Chi phí vận hành cao. Lượng bùn dư sinh ra lớn khiến chi phí xử lý bùn thải cao.
2.2. Công nghệ AAO (Anerobic – Anoxic – Oxic)
Ưu điểm: Khả năng khử chất hữu cơ, Nitơ và Phốt pho tốt.
Nhược điểm: Quá trình kỵ khí Anerobic phát sinh mùi hôi gây khó khăn trong việc kiểm soát mùi hôi tại những vị trí kín gió như tầng hầm hoặc vị trí để xe tại khu vực dự án.
2.3. Công nghệ MBR (Membrane Bio Reactor)
Ưu điểm: Hoạt động ổn định, hiệu quả khử cặn SS cao. Diện tích lắp đặt hệ thống nhỏ hơn công nghệ Aerotank và AAO.
Chi phí đầu tư ban đầu cao nhất trong các công nghệ hiện có. Chi phí điện năng vận hành cao. Cần phải thay thế màng lọc membrane định kỳ 3-6 tháng trong quá trình vận hành khá tốn kém và phức tạp.
2.4. Công nghệ FBR
Ưu điểm: Hệ vi sinh cộng sinh đem lại hiệu quả xử lý tốt. Giảm 30% thể tích so với các công nghệ hiện có giúp giảm diện tích hệ thống, giảm chi phí đầu tư ban đầu.
Nhược điểm: Đòi hỏi cung cấp đúng chủng vi sinh trong quá trình nuôi cấy ban đầu và vận hành.
3. Cơ sở khoa học của công nghệ FBR
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật.
• Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật;
• Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào;
• Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng.
Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, (SO4)2-, … Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm nhiều loại vi khuẩn khác nhau cùng tồn tại.
* Quá trình bùn hoạt tính lơ lửng:
Quá trình bùn hoạt tính lơ lửng trong hệ thống FBR với sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Tốc độ sử dụng oxy hòa tan trong bể bùn hoạt tính phụ thuộc vào:
• Tỷ số giữa lượng thức ăn (CHC có trong nước thải) và lượng vi sinh vật: tỷ lệ F/M;
• Nhiệt độ;
• Tốc độ sinh trưởng và hoạt động sinh lý của vi sinh vật;
• Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất;
• Lượng các chất cấu tạo tế bào;
• Hàm lượng oxy hòa tan.
* Quá trình sinh học tăng trưởng dính bám
Chất hữu cơ sẽ bị phân hủy bởi quần thể vi sinh vật dính bám trên lớp giá thể cố định. Các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị hấp phụ vào màng vi sinh vật dày 0,1 – 0,2 mm và bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, do đó lượng oxy sẽ bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp màng sinh vật. Như vậy, môi trường tuỳ nghi được hình thành ngay sát bề mặt vật liệu lọc.
Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hóa chất hữu cơ xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt giá thể. Kết quả là vi sinh vật ở đây bị phân hủy nội bào, không còn khả năng dính bám lên bề mặt vật liệu lọc và bị rửa trôi.
* Quá trình khử nitơ (N)
Các hợp chất nitrogen (N) và phosphorus (P) trong nước thải là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng. Trên thế giới phương pháp phổ biến để loại bỏ P ra khỏi nước thải vẫn là phương pháp lý hoá kết hợp với chi phí xử lý cao.
Quá trình nitrat hoá được diễn ra trong hai bước, bắt đầu bằng amoniac được chuyển thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó nitrit bị ôxy hoá thành nitrat do vi khuẩn Nitrobacter. Hai loại vi khuẩn này có khả năng tự dưỡng trong hệ thống FBR và sử dụng nguồn carbon dioxide làm nguồn carbon trong tế bào của chúng theo sơ đồ phản ứng: 
* Quá trình khử phốtpho (P)
Phốtpho là một nguyên tố chính rất quan trọng trong sự sống của mỗi tế bào, chiếm 1-3% tổng trọng lượng khô của mỗi tế bào vi sinh vật. Đối với con người, phốtpho là thành phần không thể thiếu trong cấu tạo di truyền AND, ARN.
Về mặt môi trường học, phốtpho là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hoá, hiện tượng ô nhiễm nguồn nước do sự gia tăng không kiểm soát và sự chết hàng loại của các loại tảo và thuỷ sinh.
Phốtpho còn là nguồn dưỡng chất đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng phát triển và sinh sản của các vi sinh vật trong hệ vi sinh cộng sinh FBR. Trong hệ thống FBR dưới tác động của hệ vi sinh cộng sinh, Phốtpho sẽ được chuyển hoá và xử lý.
Việc loại bỏ nitơ & phốtpho theo phương pháp sinh học bằng công nghệ FBR sẽ mang lại hiệu quả xử lý cao đồng thời tiết kệm chi phí vận hành.