Xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính

Các vi sinh vật thường tồn tại ở trạng thái huyền phù. Bể được sục khí để đảm bảo yêu cầu oxy và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Huyền phù lỏng của các vi sinh vật trong bể thông khí được gọi chung là chất lỏng hỗn hợp và sinh khối (MLSS). Khi nước thải đi vào bể thổi khí (bể aeroten), các bông bùn hoạt tính được hình thành mà hạt nhân của nó là các phần tử cặn lơ lửng.

Các loại vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển dần cùng với các động vật nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,… tạo nên các bông bùn màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan, keo và không hòa tan phân tán nhỏ. Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất hữu cơ và chất ding dưỡng (N, P) lam thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành tế bào mới. Dẫn đến trong bể aeroten lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đó được tách ra tại bể lắng đợt 2, một phần được quay trở lại đầu bể aeroten để tham gia xử lý nước thải theo chu trình mới. Quá trình cứ tiếp diễn đến khi chất thải cuối cùng không thể là thức ăn của các vi sinh vật được nữa.

Nếu trong nước thải đậm đặc chất hữu cơ khó phân hủy, cần có thời gian để chuyển hóa thì phần bùn hoạt tính tuần hoàn phải được tách riêng và sục khí oxy cho chúng tiêu hóa thức ăn đã hấp thụ. Quá trình này gọi là tái sinh bùn hoạt tính.Như vậy quá trình XLNT bằng bùn hoạt tính bao gồm các giai đoạn sau:

+Khuấy trộn tạo điều kiện tiếp xúc NT với bùn HT

+Cung cấp oxy để vi khuẩn và vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ

+Tách bùn HT ra khỏi NT

+Tái sinh bùn HT tuần hoàn và đưa chúng về bể aeroten

Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí

Các quá trình hiếu khí có thể xảy ra trong điều kiện tự nhiên hay trong các điều kiện xử lý nhân tạo. Trong điều kiện xử lý nhân tạo người ta tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ cao và hiệu suất cao hơn.

Quá trình chuyển hóa vật chất:

1. Quá trình oxy hóa chất hữu cơ :(đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào)

CxHyOzN + O2 vsv CO2 + NH3 + H2O + Q (1)

2. Qúa trình tổng hợp tế bào:(tổng hợp xây dựng tế bào)

CxHyOz + NH3 + O2 vsv C5H7NO2 + CO2 + H2O + Q (2)

(C5H7NO2: Công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh

vật)

3. Qúa trình oxy hóa nội bào (tự oxy hóa): nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hóa thì khi không đủ chất dinh dưỡng, Qúa trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra qúa trình tự oxy hóa:

C5H7NO2 + O2 vsv CO2 + NH3 +H2O + Q (3)

Trong quá trình oxy hóa sinh hóa hiếu khí, các chất hữu cơ chứa N, S, P cũng được chuyển thành NO3-, SO42-, PO43-, CO2, H2O.

Trong quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính, sự gia tăng nồng độ bùn giúp thức đẩy quá trình oxy hóa chất hữu cơ nhưng nó cản trở sự tăng trưởng của sinh khối mới.

Lý do: khi cung cấp bùn vào hệ thống quá trình trao đổi chất xảy ra mãnh liệt sẽ làm cạn kiệt thức ăn cho sinh khối mới và bao quanh nó toàn là sản phẩm của quá trình oxy hóa chất hữu cơ.

Tăng liều lượng bùn trong aerotank cho phép tăng vận tốc oxy hóa chất hữu cơ, giảm thời gian sục khí và vì vậy là một trong các phương pháp tăng năng suất của bể. Mặt khác, tăng liều lượng bùn gây phức tạp cho bể lắng đợt II, tăng lượng bùn bị cuốn theo nước hoặc làm tăng thể tích bể lắng nếu muốn giữ nguyên hàm lượng chất lơ lửng trong nước ra.

Các quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng nitơ

Quá trình Nitrat hóa

Quá trình hóa học: Như đã trình bày ở trên, nitrat hóa là một quá trình tự dưỡng 2 giai đoạn (sự nitrat hóa sử dụng CO2 thay cho nguồn C hữu cơ như nguồn cung cấp C cho việc tổng hợp tế bào) để chuyển hóa NH4+ thành Nitrat. Trong suốt quá trình phản ứng tạo năng lượng này, một vài ion NH4+ được tổng hợp trong các mô tế bào gây ra toàn bộ quá trình oxy hóa và phản ứng tổng hợp.

Đối với quá trình xử lý nước thải bằng sinh học hiếu khí thì:

55NH4 + 76O2 + 5CO2 =nitrosomonas=> C5H7NO2 + 54NO2 + 52H2O + 109 H+
400NO2 + 10 O2 + NH3 + 2H2O + 5CO2 =nitrobacter=> C5H7NO2+ 400NO3

Hoặc:

1 NH4+ + 1.89O2 + 0.08CO2 → 0.98NO3- + 0.016C5H7O2N + 0.95H2O + 1.98H+

Các sinh vật tự dưỡng tham gia vào quá trình nitrat hóa (sử dụng CO2 như nguồn C để hình thành các mô tế bào) có tốc độ tăng trưởng thấp hơn so với các vi sinh vật dị dưỡng (sử dụng C hữu cơ để hình thành tế bào). Vì vậy, tốc độ nitrat hóa được kiểm soát bởi quá trình oxy hóa bởi CBOD của các sinh vật dị dưỡng.

Ảnh hưởng của pH và độ kiềm: Khoảng pH thuận lợi nhất cho sự Nitrat hóa là từ 6,5– 8. Do sự nitrat hóa tiêu thụ khoảng 7,1 mg kiềm (CaCO3) cho mỗi mg NH4+ bị oxy hóa, vì vậy khi độ kiềm trong nước thải có nguy cơ xuống thấp thì sự nitrat hóa sẽ làm pH cũng giảm xuống. Ví dụ, để nitrat hóa khoảng 40 mg/l NH4+ cần phải có khoảng 284 mg/l kiềm để duy trì hàm lượng pH.

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng quan trọng trong sự nitrat hóa, nên nó phải được cân nhắc kỹ khi đưa vào thiết kế. Nhìn chung, nhiệt độ thấp sẽ đòi hỏi có thời gian lưu trong hệ thống dài hơn đối với tác nhân tăng trưởng lơ lửng và tốc độ nạp nước thấp hơn trong tác nhân tăng trưởng bám dính, do tốc độ tăng trưởng chậm hơn của các vi khuẩn nitrat hóa.

Ảnh hưởng của chất ức chế: Các vi khuẩn nitrat hóa thường nhạy cảm hơn các vi khuẩn dị dưỡng và dễ bị ảnh hưởng bởi các thay đổi khác nhau của các chất ức chế hữu cơ và vô cơ.

Các chất ức chế quá trình Nitrat hóa

Các chất ức chế quá trình Nitrat hóa

Quá trình khử nitrat

Quá trình hóa học: Khử nitrat là một quá trình sinh học sử dụng nitrat như một nguồn cung cấp điện tử, ngoại trừ oxy, để oxy hóa các chất hữu cơ (khử nitrat dị dưỡng) hay các chất vô cơ như S hay H (khử nitrat tự dưỡng). Trong suốt quá trình, Nitrat sẽ giảm dần và chuyển thành khí N2. Cả quá trình này sẽ xảy ra trong điều kiện thiếu khí. Các vi sinh vật khử nitrat hóa là các sinh vật ưa khí tùy nghi (chúng có thể chuyển đổi giữa hô hấp trong điều kiện có oxy và trong điều kiện có nitrat).

Khử nitrat tự dưỡng thường sử dụng trong xử lý nước nhiều hơn là trong xử lý nước thải. đối với quá trình khử nitrat tự dưỡng, nguồn C có thể lấy từ nước thải, các tế bào vi khuẩn hoặc từ nguồn C bên ngoài như CH4 hay acetat.

Trường hợp thiếu oxy, các loại vi khuẩn khử nitơrat denitrificans (dạng kỵ khí tùy tiện) sẽ tách oxy của nitơrat và nitrit để oxy hóa chất hữu cơ. Nitơ phân tử tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước. Quá trình chuyển hóa như sau:

NO3- > NO2- > NO > N2O > N2 (NO, N2O, N2: dạng khí)

Quá trình vi sinh của sự khử nitrat dị dưỡng

Quá trình khử nitrat dị dưỡng xảy ra với tốc độ nhanh, thích nghi tốt với các hợp chất ức chế, đòi hỏi nồng độ hữu cơ cao và nồng độ DO thấp hoặc có thể không có. Các vi khuẩn hiện diện trong hệ thống là các vi khuẩn hiếu khí tùy nghi, việc thiết kế vùng thiếu khí là một trong những nhân tố quan trọng nhất trong quá trình khử nitrat hóa.

Đối với quá trình xử lý nước thải bằng sinh học thiếu khí thì:

COHNS + NO3- → N2 + CO2 + C5H7O2N + OH- + H2O + end products organic bacterial matter cells

Theo lý thuyết, 3,57 mg kiềm (CaCO3) được tạo ra khi mỗi mg nitrat bị chuyển sang dạng khí N2, khi nước thải được sử dụng như nguồn cung cấp C. Vì vậy, sự khử Nitrat hóa có thể lấy lại được khoảng một nửa lượng kiềm đã mất trong quá trình nitrat hóa và có thể khắc phục được tình trạng giảm pH trong môi trường nước kiềm.

Do các vi sinh vật khử nitrat là các sinh vật dị dưỡng, nên chúng dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi pH của môi trường. Nhìn chung, tốc độ khử nitrat sẽ bị giảm sút khi pH xuống dưới 6 hoặc trên 8.

Trong trường hợp BOD trong nước thải không đủ để cung cấp C cho quá trình khử nitrat, thì nguồn C bên ngoài phải được cung cấp thêm, chủ yếu là methanol và acetat. Và như vậy, độ kiềm đã mất có thể hoặc có thể không được thu hồi lại, phụ thuộc vào tính chất hóa học của nguồn C được sử dụng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Tốc độ của quá trình khử nitrat hóa có thể chịu ảnh hưởng quan trọng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 20oC (68oF), tốc độ nitrat hóa ở 10oC (50oF) chỉ bằng 20 – 40% so với khi ở 20oC.

Ảnh hưởng của các chất ức chế: Nhìn chung, các sinh vật trong khử nitrta hóa thường thích nghi tốt hơn so với các sinh vật nitrat hóa. Hai giai đoạn nitrat hóa và denitrat hóa xảy ra với hai điều kiện ngược nhau: hiếu khí – kỵ khí, tự dưỡng – dị dưỡng. Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm soát quá trình của hệ thống xử lý nitơ truyền thống trở nên phức tạp. Ví dụ, trong khi ở giai đoạn nitrat hóa cần duy trì DO tối thiểu là 2mg/lít thì ở giai đoạn denitrat hóa phải khống chế DO dưới 0,3mg/lít.

Phương trình phản ứng tích lũy photpho

Phospho xuất hiện trong nước ở dạng PO4 3- hoặc poli photphat P2O7 hoặc dạng photpho liên kết hữu cơ. Hai dạng sau chiếm khoảng 70% trong nước thải. Các dạng tồn tại của Phospho thường dùng các loại hợp chất keo tụ gốc Fe, Al,…để loại bỏ nhưng giá thành đắt, tạo thành bùn chứa tạp chất hóa học,…

Vi khuẩn Acinetobater là 1 trong những sinh vật đầu tiên có trách nhiệm khử P, chúng có khả năng tích lũy poliphotphat trong sinh khối tương đối cao (2-5%). Khả năng lấy Phospho của vi khuẩn kỵ khí tùy tiện Acinebacter sẽ tăng lên rất nhiều khi cho nó luân chuyển các điều kiện hiếu khí, kỵ khí.

Trong điều kiện hiếu khí: (O2) vi sinh bio-P tích lũy, tổng hợp photphate trong cơ thể chúng từ photphate đơn tồn tại trong nước thải theo phương trình phản ứng:

C2H4O2 + 0,16 NH4+ + 1,2 O2 + 0,2 PO43- → 0,16 C5H7NO2 + 1,2 CO2 + 0,2 (HPO3) + 0,44 OH- + 1,44 H2O.

Điều kiện thiếu khí: HPO3 là photphate ở dạng trùng ngưng tồn tại trong cơ thể vi sinh vật. Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy, chỉ có mặt nitrat) quá trình tích lũy photpho xảy ra: