1) MBR là gì?

Membrane Bioreactor (MBR) là thuật ngữ chỉ mọi quá trình xử lý nước/nước thải kết hợp màng chọn lọc với quá trình sinh học. Trong thương mại hiện hành, MBR được hiểu chủ yếu là loại biomass-rejection MBR: màng đóng vai trò lọc tách chất rắn/sinh khối, cho nước ra trong, đã khử trùng một phần và có thể tái sử dụng.

2) Lịch sử công nghệ 

2.1. Từ hiện tượng khuếch tán đến màng tổng hợp

  • 1850s–1900s: Nền tảng khoa học khuếch tán, thẩm thấu (Fick; van’t Hoff) và tách khí qua cao su (Graham) hình thành khái niệm tính thấm chọn lọc.

  • Đầu thế kỷ 20: Bechhold chế tạo màng UF từ collodion, đặt thuật ngữ “ultrafilter”, đo bubble-point; các nhà nghiên cứu như Zsigmondy, Bachmann hoàn thiện kỹ thuật tạo màng xốp.

  • 1925: Sartorius thương mại hóa màng vi xốp đầu tiên (chủ yếu phục vụ phòng thí nghiệm).

  • Thế chiến II: Nhu cầu kiểm tra vi khuẩn trong nước uống quy mô lớn thúc đẩy ứng dụng MF thực tiễn.

  • 1950s: Alexander Goetz phát triển phương pháp VIPS – Vapour-Induced Phase Separation, tiền đề cho Millipore (1954) và ngành màng vi xốp ở Mỹ.

2.2. Thời kỳ “bùng nổ” khoa học màng (1960s–1980s)

  • 1963: Loeb & Sourirajan phát minh màng cellulose acetate bất đối xứng bằng NIPS (Non-solvent Induced Phase Separation) – lớp bề mặt mỏng (~0,2 µm) trên nền đỡ xốp → flux cải thiện vượt trội; đặt nền cho RO/UF/MF hiện đại.

  • 1960s: Alan S. Michaels (sáng lập Amicon) hệ thống hóa ứng dụng UF với các polymer mới (PAN, PS, PVDF…) → mở đường sản xuất công nghiệp.

  • 1980s: TIPS (Thermally Induced Phase Separation) được thương mại hóa (Castro, 1981…) → màng MF độ rỗng cao, bền cơ học, flux nước tinh khiết cao (ví dụ >1000 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹).

  • Song song: track-etch, melt-extrusion/cold-stretching cho một số ứng dụng đặc thù; 1977 xuất hiện HF PE (Mitsubishi Rayon) cho xử lý nước thải.

3) Công nghệ MBR: từ sidestream đến immersed

3.1. Giai đoạn đầu (1970s–1990s)

  • Cuối 1960s: Dorr-Oliver phát triển sidestream MBR (sMBR) kết hợp CASP với UF FS; thời đó áp vào cao (~3,5 bar), flux thấp (≈ 17 LMH), nhưng đã chứng minh nguyên lý: màng có thể thay bể lắng để cô đặc sinh khối và cho nước ra trong/khử trùng.

  • 1980s–đầu 1990s: Nhật Bản thử nghiệm iMBR (immersed MBR) với HF UF (Yamamoto và cộng sự, 1989), Kubota phát triển FS iMBR; 1990–1996: hàng chục công trình Kubota đi vào vận hành (đô thị & công nghiệp).

  • 1993: Mitsubishi Rayon giới thiệu module SUR; Zenon (Canada) thương mại HF iMBR ZeeWeed® (ZW145) – một cột mốc cho iMBR.

  • Đức/Âu: Wehrle (sMBR đa ống – leachate), Degremont (gốm), nhiều hệ bơm sidestream phục vụ tải công nghiệp nặng.

3.2. Cuối 1990s trở đi: iMBR bùng nổ

  • 1997: Nhà máy MBR đô thị Kubota đầu tiên ngoài Nhật (Vương quốc Anh).

  • 1999: Veolia Biosep® quy mô lớn tại Pháp.

  • 2000s: Nở rộ sản phẩm iMBR từ Mỹ, Nhật, Hàn, Đức, Trung Quốc…; nhiều thương vụ mua bán & sáp nhập; đến 2010 có >45 sản phẩm module MBR hiện diện/đang thương mại hóa.

4) Thị trường & nhà cung cấp 

4.1. Quy mô thị trường

  • Áp dụng tại >200 quốc gia/vùng lãnh thổ; tăng trưởng toàn cầu 9,5–12%/năm, trung bình ≈ 11,6–12,7% giai đoạn 2000–2013 

  • Giá trị thị trường ước ~0,5 tỷ USD vào 2013; các nguồn khác dự báo ~1,3 tỷ USD vào 2015.

4.2. Sản phẩm & nhà cung cấp chủ chốt 

Bảng 1 : Thị trường đô thị quy mô lớn đến 2010 tập trung ở các hãng sau (năm ra mắt sản phẩm iMBR/sMBR, và mốc công trình >10 MLD)

Nhà cung cấp Quốc gia Năm ra mắt Mốc >10,000 m³/ngày
GE – ZeeWeed® (Zenon) USA 1993 2002
Kubota EK Japan 1990 1999
KMS – PURON® USA 2001 2010*
Toray Japan 2004 2010*
Siemens – MEMCOR® Germany 2002 2008
Asahi Kasei Japan 2004 2007
Memstar Singapore 2005 2010*
MICRODYN-NADIR Germany 2005 2010*
Mitsubishi Rayon (SADF/SUR) Japan 1993/2005 2006
Motimo China 2000 2007
Norit Netherlands 2002 2010*
4.3. Phân bố địa lý nhà cung cấp

  • Hơn một nửa số nhà cung cấp sản phẩm module MBR xuất phát từ Đông Á (China/Taiwan, Korea, Japan), phần còn lại chủ yếu Đức & châu Âu.

5) Ứng dụng

  1. iMBR chiếm ưu thế trong đô thị: cấu hình ngâm (HF/FS) giảm năng lượng bơm tuần hoàn, thuận lợi mở rộng theo cassette.

  2. Công nghệ màng quyết định kinh tế – vận hành: đột phá NIPS/TIPS tạo nên màng bất đối xứng có flux cao và độ bền, là tiền đề để MBR trở thành giải pháp khả thi thương mại.

  3. Nhà cung cấp Đông Á dẫn dắt về số lượng sản phẩm & triển khai; Mỹ/Âu có thị phần lớn ở nhóm HF iMBR.

  4. Dải ứng dụng rộng: từ đô thị đến công nghiệp đặc thù (FOG cao, rỉ rác, tái sử dụng), với chiến lược tiền xử lý và làm sạch (relax/backwash/CEB/CIP) phù hợp.

Từ nền tảng khoa học NIPS/TIPS đến iMBR bùng nổ cuối 1990s, MBR đã chuyển từ thử nghiệm sang giải pháp thương mại chủ đạo cho nước thải đô thị/công nghiệp có yêu cầu cao. Tư duy triển khai nên xoay quanh: cấu hình iMBR, tiền xử lý, chu kỳ làm sạch – hoá chất theo datasheet nhà cung cấp, và định vị ứng dụng/tái sử dụng để tối ưu CAPEX + OPEX.