Trong những năm gần đây, công nghệ thẩm thấu ngược (RO – Reverse Osmosis) ngày càng phổ biến trong các hệ thống tái sử dụng nước thải, không chỉ trên thế giới mà cả tại Việt Nam. RO loại bỏ hiệu quả muối khoáng, độ màu, chất hữu cơ hòa tan, vi khuẩn, virus và kim loại nặng, nên được xem là bước xử lý then chốt, gần như là tiêu chuẩn, đối với nước tái sử dụng cho những mục đích liên quan đến sức khỏe con người. Cùng với giá màng RO ngày càng giảm, RO đã trở thành công nghệ chủ đạo trong tái chế nước thải công nghiệp của các ngành điện tử, thực phẩm – đồ uống, y tế – dược phẩm, luyện kim – xi mạ… nhằm đáp ứng yêu cầu về môi trường.

Bên cạnh những lợi ích đó, người sử dụng phải chấp nhận chi phí đầu tư lớn và chi phí vận hành cao để hệ thống chạy ổn định. Thực tế, không ít nhà đầu tư đã sớm thất vọng khi màng RO – trái tim của hệ thống – bị tắc nghẽn liên tục: hệ thống phải dừng để vệ sinh hóa học tại chỗ (CIP – Clean In Place) chỉ sau 2–3 ngày, và màng phải thay mới sau 5–6 tháng. Khi đó, bài toán hiệu quả kinh tế của dự án tái sử dụng nước trở nên rất khó giải.

Tình trạng trên có thể xuất phát từ nhiều yếu tố như sai sót trong thiết kế, chất lượng nước đầu vào biến động, thiết bị – vật tư chọn chưa phù hợp, quy trình vận hành chưa tốt… Tuy nhiên, ngay cả khi đã loại trừ các yếu tố này, màng sinh học (biofilm) vẫn là một trong những nguyên nhân chính gây ra các phiền toái nói trên trong hệ thống RO tái sử dụng nước thải: biofilm làm tăng áp suất cấp và tổn thất áp (ΔP), tăng độ lọt muối, rút ngắn chu kỳ CIP và làm giảm tuổi thọ màng.

Vậy biofilm là gì? Biofilm hình thành trên bề mặt màng như thế nào, vì sao hình thành, và làm thế nào để khống chế? Các nội dung này sẽ được trình bày lần lượt trong bài viết dưới đây.

1. Biofilm – màng sinh học là gì?

Biofilm là một quần thể vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, tảo…) bám trên bề mặt và được bao bọc bởi lớp chất nhầy ngoại bào (EPS – Extracellular Polymeric Substances) do chính chúng tiết ra. Lớp EPS này giúp vi sinh vật tồn tại lâu dài và chống chịu tốt trước chất diệt khuẩn cũng như các tác nhân môi trường.

Đặc điểm của biofilm:

• Thành phần: nước chiếm khoảng 70–95% khối lượng; phần chất rắn gồm tế bào vi sinh vật và EPS (chủ yếu là polysaccharide, protein, DNA ngoại bào), trong đó EPS chiếm phần lớn khối lượng chất hữu cơ. Biofilm giàu carbohydrate, protein và có nồng độ ATP (Adenosine Triphosphate) cao – đây cũng là cơ sở để dùng ATP làm chỉ thị theo dõi hoạt tính sinh học.
• Cấu trúc ba chiều: biofilm có cấu trúc phức tạp, nhiều lớp, xen kẽ các kênh dẫn nước và chất dinh dưỡng.
• Khả năng tự bảo vệ: lớp EPS ngăn cản sự thẩm thấu của chất diệt khuẩn, nên vi sinh vật bên trong được bảo vệ khỏi hóa chất diệt khuẩn và các tác nhân bên ngoài.
• Khả năng phát triển trong môi trường khắc nghiệt: biofilm có thể tồn tại và phát triển ngay cả khi nguồn dinh dưỡng rất nghèo nàn hoặc khi có mặt chất kháng khuẩn – đúng với điều kiện của dòng cấp vào màng RO.

                                    

Hình 1. Biofilm bám trên bề mặt màng RO và trên lưới đệm (spacer) – ảnh soi kính hiển vi

2. Sự hình thành biofilm trên bề mặt màng RO 

Biofilm hình thành trên bề mặt màng qua 5 giai đoạn được minh họa ở Hình 2:

                               

Hình 2. Các giai đoạn hình thành biofilm trên bề mặt màng (theo Harry Ridgway, 2010).

Các ảnh SEM phía dưới thể hiện sự phát triển từ ngày thứ 3 đến ngày thứ 48

• Giai đoạn 1 – Bám dính ban đầu: vi khuẩn có trong nước cấp di chuyển đến bề mặt màng và bám vào đó. Sự bám dính ở giai đoạn này còn có thể đảo ngược.
• Giai đoạn 2 – Bám dính không thể đảo ngược: khi điều kiện thuận lợi, vi khuẩn bắt đầu tổng hợp EPS giúp chúng bám chắc vào màng. Từ đây sự bám dính không thể đảo ngược bằng dòng chảy thông thường.
• Giai đoạn 3 – Sinh trưởng và phân chia: vi khuẩn tiêu thụ chất dinh dưỡng trong nước cấp, sinh sôi và hình thành lớp biofilm dày đặc.
• Giai đoạn 4 – Trưởng thành: biofilm phát triển phức tạp, các tế bào giao tiếp với nhau qua cơ chế cảm biến mật độ (quorum sensing) và phân tầng chức năng sinh học theo từng vùng trong cấu trúc biofilm. Ở giai đoạn này lớp biofilm dày lên rõ rệt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến ΔP, lưu lượng và có thể gây suy giảm cục bộ bề mặt màng.
• Giai đoạn 5 – Phân tán (dispersal): một phần biofilm trưởng thành bong ra, mang theo cả tế bào còn sống lẫn mảnh vụn sinh khối, theo dòng chảy đến các vị trí phía sau trong module cũng như các phần tử màng kế tiếp, và bắt đầu một chu kỳ bám dính – phát triển mới.

3. Nguyên nhân hình thành biofilm trên màng RO

• Tiền xử lý không loại bỏ hoàn toàn vi sinh vật và chất dinh dưỡng. Chỉ cần một số ít tế bào sống sót là đủ để nhân lên rất nhanh trên bề mặt màng; trong hệ thống có hoạt động sinh học, biofilm có thể xuất hiện chỉ sau vài ngày (thường 3–5 ngày) kể từ khi bị nhiễm.
• Sử dụng chlorine không đúng cách. Chlorine chỉ bất hoạt tế bào chứ không loại bỏ được EPS. Ngoài ra, chlorine có thể oxy hóa chất hữu cơ tự nhiên thành các chất dễ phân hủy sinh học hơn, làm tăng AOC (Assimilable Organic Carbon – carbon hữu cơ dễ đồng hóa), tức là tăng nguồn thức ăn cho vi sinh vật.
• Nguồn dinh dưỡng (AOC, N, P). Trong hệ thống xử lý nước thải, sự cố ở công đoạn xử lý phía trước có thể đẩy thêm AOC vào RO.
• Vi sinh vật sống sót sau clo hóa. Bào tử, nang và các vi khuẩn được bao bọc kỹ có thể sống sót, nhất là khi pH > 8,5 – lúc chlorine kém hiệu quả. Sau bước khử clo bằng ACF hoặc châm SMBS, nước không còn chất diệt khuẩn dư nên vi khuẩn phát triển trong môi trường ít bị cạnh tranh rồi tạo biofilm. Ngay cả các bể lọc MMF, UF và ACF cũng có thể trở thành nơi biofilm bám trên bề mặt vật liệu lọc.
• Màng RO polyamide không chịu được chất diệt khuẩn gốc oxy hóa như chlorine. Chlorine phải được khử hoàn toàn (bằng than hoạt tính ACF hoặc hóa chất khử như SMBS) trước khi vào màng, vì vậy bề mặt màng không còn được bảo vệ bởi chất diệt khuẩn dư.
• Hóa chất tiền xử lý có thể góp thêm AOC. Một số chất chống cặn (polyacrylate, polyphosphonate), axit hoặc sản phẩm oxy hóa (khi vị trí châm SMBS không hợp lý) có thể trở thành nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật.
• Đặc tính của chính hệ thống màng. Ion Ca²⁺ và Mg²⁺ tạo “cầu nối” với EPS khiến biofilm bám chắc hơn; bề mặt màng nhám tạo các điểm nóng về thông lượng; lưới đệm (spacer) tạo các vùng ứ đọng, nơi vi khuẩn dễ tập trung.
• Biofilm kéo theo các loại cặn khác. Lớp biofilm hoạt động như một lớp “keo”, giữ lại sét, hạt keo và kết tủa vô cơ vốn đã có thể bị cuốn khỏi hệ thống.

4. Tác hại và dấu hiệu nhận biết biofouling

Biofilm gây suy giảm hiệu năng RO theo nhiều cách cùng lúc: lớp biofilm và EPS làm hẹp kênh dẫn dòng cấp nên ΔP tăng; tạo thêm một lớp cản thủy lực làm lưu lượng nước sản phẩm giảm; đồng thời cản trở sự khuếch tán ngược của muối khỏi bề mặt màng (phân cực nồng độ tăng cao), khiến độ lọt muối tăng. Khác với đóng cặn (scaling) thường bắt đầu ở các phần tử cuối, biofouling thường thể hiện sớm và rõ nhất ở các phần tử màng đầu tiên, với biểu hiện ΔP tăng nhanh.

Để can thiệp kịp thời, cần theo dõi thông số vận hành đã được chuẩn hóa (normalized) và tiến hành CIP khi đạt ngưỡng sau (theo thông lệ chung của các nhà sản xuất màng; ngưỡng cụ thể cần đối chiếu khuyến cáo của hãng màng đang sử dụng):

Thông số (đã chuẩn hóa)	Biểu hiện khi bị biofouling	Ngưỡng tham khảo để CIP
Tổn thất áp ΔP	Tăng, rõ nhất ở stage đầu	Tăng khoảng 10–15% so với giá trị tham chiếu
Lưu lượng nước sản phẩm	Giảm dần	Giảm khoảng 10–15%
Độ lọt muối	Tăng	Tăng khoảng 5–10%

 

Ngoài ra, nên kết hợp các chỉ tiêu sinh học như ATP, tổng vi khuẩn dị dưỡng (HPC), TOC/AOC của nước cấp, và kiểm tra kết quả mổ xẻ màng (autopsy) khi cần xác định chính xác nguyên nhân. Can thiệp càng sớm, lớp biofilm càng mỏng và càng dễ loại bỏ hoàn toàn.

5. Các biện pháp khống chế biofilm trong hệ thống RO

5.1. Các biện pháp phòng ngừa

Phương án	Ưu điểm	Hạn chế
Tối ưu tiền xử lý (lọc, MF/UF, keo tụ, clo hóa – khử clo…)	Giảm tải vi sinh, chất keo và dinh dưỡng đi vào RO	Hiếm khi đạt 100%; các bể lọc MMF, ACF nếu không được rửa/vệ sinh đúng cách có thể trở thành nguồn phát tán biofilm
Biocide oxy hóa (clo, brom, ozone, axit peracetic)	Diệt khuẩn nhanh, phá hủy tế bào	Không dùng liên tục được với màng polyamide RO/NF vì gây hư màng; chỉ tác dụng gián đoạn, có thể làm tăng AOC và kích thích vi sinh vật tạo EPS bảo vệ, dẫn đến kháng thuốc
Biocide không oxy hóa (isothiazolone, DBNPA)	Diệt khuẩn phổ rộng, không làm hại màng polyamide	Ít tác dụng lên EPS nên khó loại bỏ biofilm; chi phí cao; cần quản lý nước xả vì có độc tính với thủy sinh; có nguy cơ kháng thuốc nếu dùng không đúng chế độ
Chất làm sạch chuyên dụng cho biofilm, châm trực tuyến (Genesol 80)	Tác động lên lớp EPS, làm biofilm khó bám chắc; tương thích với màng polyamide; có thể kết hợp CIP	Cần xác định liều lượng và tần suất phù hợp với từng hệ thống; không thay thế cho tiền xử lý tốt

 

5.2. Loại bỏ biofilm khỏi bề mặt màng bằng quá trình CIP

Nguyên tắc cốt lõi để khống chế biofilm trên màng RO là không chỉ diệt khuẩn mà phải loại bỏ được lớp biofilm và tế bào chết ra khỏi bề mặt màng. Nhiều nghiên cứu cho thấy chất diệt khuẩn mạnh chưa chắc làm sạch được biofilm, và chất làm sạch biofilm tốt cũng chưa chắc là chất diệt khuẩn.

Với nhiễm bẩn hữu cơ và sinh học, quy trình CIP phù hợp là dùng dung dịch kiềm phối hợp chất hoạt động bề mặt, chất tạo phức (chelant), enzyme… ở nhiệt độ ấm trong bước đầu tiên, sau đó thực hiện bước axit để xử lý cặn vô cơ đi kèm. Luôn thực hiện kiềm trước, axit sau, vì axit dùng trước có thể làm cố định lớp hữu cơ và protein trên bề mặt màng. Nhiệt độ dung dịch kiềm thường phải duy trì mức cao 38–40°C khi rửa màng bị nhiễm biofilm, hữu cơ.

CIP thường kém hiệu quả vì chọn sai hóa chất, thực hiện sai thông số (pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, lưu lượng tuần hoàn) hoặc xử lý chậm trễ. Việc chỉ dùng các hóa chất cơ bản như NaOH và axit citric/HCl thường không cho kết quả tốt với biofilm, và màng thường tắc nghẽn trở lại chỉ sau 3–7 ngày. Điều này không chỉ làm gián đoạn quá trình tái sử dụng nước, giảm công suất thực tế của hệ thống, mà còn làm tăng chi phí vận hành, chi phí vệ sinh và rút ngắn tuổi thọ màng UF/RO.

Khi CIP không sạch hoàn toàn, phần sinh khối còn sót lại sau vệ sinh trở thành nguồn dinh dưỡng rất giàu cho vi sinh vật, khiến tình trạng tắc nghẽn tái phát nhanh hơn nữa.

5.3. Genesol 80 – Hóa chất tẩy rửa và khống chế biofilm hiệu quả, dùng được cả offline và online

Genesol 80 là hóa chất làm sạch màng dạng lỏng do Genesys phát triển (Genesys hiện thuộc H2O Innovation Specialty Chemicals Group), được nhà sản xuất mô tả là chất làm sạch không oxy hóa, chuyên xử lý biofilm trên màng RO, NF và cả UF. Cơ chế tác động của Genesol 80 nhắm vào lớp polysaccharide ngoại bào (EPS), giúp thẩm thấu và phá vỡ liên kết của lớp cặn hữu cơ – sinh học đan xen bám chặt trên bề mặt màng, qua đó bong lớp biofilm ra khỏi màng.

Tính năng và lợi ích nổi bật

• Đa năng: phù hợp cho màng thẩm thấu ngược (RO), lọc nano (NF) và siêu lọc (UF).
• Hiệu lực mạnh với biofilm: loại bỏ hiệu quả biofilm và nhiều dạng cặn hữu cơ – sinh học bám trên bề mặt màng.
• Bảo toàn hiệu năng màng: giúp duy trì bề mặt màng sạch, ổn định áp suất cấp, tổn thất áp và lưu lượng nước sản phẩm.
• Tương thích với màng polyamide: phù hợp sử dụng với màng polyamide RO/NF. Nên đối chiếu thêm khuyến cáo của nhà sản xuất màng trước khi áp dụng.
• An toàn hơn cho người vận hành: không phải là hóa chất oxy hóa mạnh như các biocide truyền thống; tuy vậy vẫn cần tuân thủ bảng dữ liệu an toàn (SDS) và trang bị bảo hộ khi thao tác.
• Chi phí hợp lý: chi phí xử lý cạnh tranh so với các biocide không oxy hóa thường dùng để khống chế biofilm trên màng RO như DBNPA, isothiazolone.
• Chứng nhận quốc tế: đạt chứng nhận NSF/ANSI/CAN 60 cho cả ứng dụng châm trực tuyến (online) và tẩy rửa CIP tuần hoàn (offline).

Cách sử dụng

Genesol 80 có thể được dùng để CIP (offline) hoặc châm online để bảo vệ bề mặt màng RO không bị biofilm bám.

a) CIP offline. Genesol 80 có thể làm sạch hiệu quả ngay ở nhiệt độ thường, không bắt buộc gia nhiệt dung dịch như nhiều dung dịch kiềm thông thường khác. Có thể dùng độc lập, hoặc pha chung với chất tẩy rửa kiềm Genesol 704 để tăng hiệu quả làm sạch tổng hợp chất hữu cơ, sét, biofilm, SiO₂… ngay trong bước đầu tiên của quá trình CIP. Nối tiếp bằng bước tẩy cặn gốc axit với Genesol 721 sẽ cho kết quả tối ưu. Sau mỗi bước cần xả sạch hệ thống trước khi chuyển sang hóa chất tiếp theo.

b) Châm online (liên tục hoặc gián đoạn) vào dòng cấp của hệ thống RO:

Chế độ châm	Liều lượng	Ghi chú
Châm liên tục	10 – 40 mg/L	Tùy theo mức độ biofouling của hệ thống
Châm gián đoạn	10 – 80 mg/L, định kỳ mỗi 4 – 8 giờ	Ức chế tối đa sự hình thành biofilm và bảo vệ bề mặt màng

 

Liều lượng, vị trí châm và thời gian mỗi lần châm cụ thể nên được xác lập cùng bộ phận kỹ thuật của nhà cung cấp dựa trên chất lượng nước cấp và tình trạng hệ thống.

Một số kết quả ứng dụng thực tế cho thấy việc sử dụng Genesol 80 trong các hệ thống RO tái sử dụng  nước thải để CIP và châm online gián đoạn đã kéo dài chu kỳ CIP của màng RO từ 7–10 ngày trước đó lên đến 60 ngày, với áp suất đầu vào hệ thống ổn định.

Lưu ý: kết quả thực tế có thể khác nhau tùy theo chất lượng nước cấp, thiết kế và điều kiện vận hành của từng hệ thống. Để có thể sử dụng Genesol 80 hiệu quả nên liên hệ với đơn vị cung cấp để được tư vấn chi tiết.

Kết luận

Biofilm là một thách thức lớn đối với việc vận hành hệ thống tái chế nước thải bằng công nghệ RO. Đây là nguyên nhân chính khiến hệ thống tắc nghẽn thường xuyên, áp suất cấp và tổn thất áp tăng cao, lưu lượng nước sản phẩm suy giảm, phải CIP dày đặc, màng nhanh xuống cấp, kéo theo chi phí vận hành và thay màng tăng cao.

Để kiểm soát biofilm hiệu quả và kinh tế, nên xây dựng một chương trình tích hợp gồm:

1. Theo dõi các thông số vận hành đã chuẩn hóa và các chỉ tiêu sinh học để phát hiện sớm biofouling.
2. Tối ưu tiền xử lý, hạn chế tối đa AOC và vi sinh vật đi vào màng RO.
3. Thực hiện CIP đúng thời điểm, đúng hóa chất và đúng thông số, với kiềm trước – axit sau.
4. Duy trì bề mặt màng sạch bằng châm online Genesol 80 để kéo dài chu kỳ CIP.

Genesol 80 là sản phẩm đặc chế của Genesys (Anh), nay thuộc tập đoàn H2O Innovation, chuyên xử lý biofilm trên màng RO/NF/UF và có thể sử dụng theo cả hai hình thức online và offline. Với Genesol 80, quá trình loại bỏ biofilm trở nên hiệu quả và kinh tế hơn, giúp các dự án tái sử dụng nước thải vận hành ổn định và dễ dàng hơn.