Xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học hoạt động thế nào?

Điểm quan trọng là vi sinh vật không đơn giản “ăn hết” chất thải. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào loại chất cần xử lý, quần thể vi sinh vật, lượng oxy hoặc chất nhận electron, thời gian lưu và khả năng tách sinh khối sau quá trình phản ứng

Phương pháp xử lý sinh học là gì và xử lý được những chất nào?

Xử lý sinh học là nhóm phương pháp sử dụng hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật để phân hủy hoặc chuyển hóa các chất ô nhiễm có khả năng bị phân hủy sinh học. Trong xử lý nước thải, bùn hoạt tính và các hệ màng sinh học là những dạng điển hình; vi sinh vật có thể tồn tại lơ lửng trong nước hoặc bám trên giá thể

Đối tượng phù hợp nhất thường là các chất hữu cơ dễ hoặc tương đối dễ phân hủy sinh học. Khi vi sinh vật phát triển, một phần chất hữu cơ được oxy hóa để cung cấp năng lượng, một phần được dùng để tạo tế bào mới. Sinh khối dư sau đó cần được tách ra khỏi dòng đã xử lý

Trong xử lý nước thải thứ cấp, EPA mô tả công nghệ sinh học là cách kích thích quá trình phân hủy tự nhiên để loại bỏ chất hữu cơ; mức xử lý thứ cấp được quy định tại Hoa Kỳ có benchmark tối thiểu 85% loại bỏ BOD5 và chất rắn lơ lửng trong điều kiện áp dụng của quy định này. Benchmark thực tế của từng hệ thống còn phụ thuộc thiết kế, loại nước thải và yêu cầu đầu ra

Vi sinh vật phân hủy chất thải bằng cơ chế nào?

Cơ chế cốt lõi là trao đổi chất. Vi sinh vật tiếp nhận các hợp chất hữu cơ và sử dụng chúng để tạo năng lượng, duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Vì vậy, chất ô nhiễm trong dòng thải được chuyển từ dạng ban đầu sang sinh khối và các sản phẩm chuyển hóa khác

Trong điều kiện hiếu khí, oxy là chất nhận electron quan trọng

Ở hệ hiếu khí, không khí hoặc oxy được đưa vào để duy trì môi trường có oxy hòa tan. Vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ, oxy hóa chúng và tạo ra carbon dioxide, nước cùng sinh khối mới

Trong bể bùn hoạt tính, quá trình sục khí đồng thời thực hiện hai nhiệm vụ: cung cấp oxy cho vi sinh vật và trộn đều để tăng tiếp xúc giữa vi sinh vật với chất hữu cơ. Sau giai đoạn phản ứng, hỗn hợp được đưa sang bể lắng để tách bùn sinh học; một phần bùn có thể được hồi lưu nhằm duy trì quần thể vi sinh vật trong hệ thống

Trong điều kiện thiếu oxy hoặc kỵ khí, con đường chuyển hóa thay đổi

Khi không có đủ oxy phân tử, các nhóm vi sinh vật khác có thể sử dụng những chất nhận electron khác hoặc tham gia các con đường chuyển hóa kỵ khí. Cơ chế này thường được tận dụng trong các hệ xử lý không cần sục khí liên tục

Điểm khác biệt không chỉ nằm ở việc có hay không có oxy. Sự thay đổi điều kiện oxy hóa - khử làm thay đổi nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế và sản phẩm chuyển hóa cuối cùng. Vì vậy, điều khiển môi trường phản ứng là phần quyết định của xử lý sinh học

Điều gì quyết định hiệu quả phân hủy của vi sinh vật?

Vi sinh vật chỉ hoạt động hiệu quả khi môi trường phù hợp với nhu cầu sinh trưởng và trao đổi chất của chúng. Có thể hình dung hệ thống như một “chuỗi điều kiện”: thiếu một mắt xích quan trọng thì tốc độ xử lý và chất lượng đầu ra đều có thể suy giảm

Nồng độ oxy hòa tan đặc biệt quan trọng với hệ hiếu khí vì vi sinh vật vừa tiêu thụ oxy để chuyển hóa chất hữu cơ vừa cần môi trường được trộn đều. Với hệ thiếu oxy hoặc kỵ khí, ngược lại, việc kiểm soát điều kiện oxy hóa - khử mới là yếu tố trọng tâm

pH và nhiệt độ cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính của quần thể vi sinh vật. Khi điều kiện môi trường thay đổi mạnh, một số nhóm vi sinh vật có thể giảm hoạt tính hoặc bị thay thế bởi nhóm khác. EPA cũng lưu ý rằng thay đổi điều kiện trong bể sục khí có thể làm thay đổi thành phần quần thể vi sinh vật phát triển trong bùn hoạt tính

Ngoài ra còn có tải lượng chất hữu cơ, tỷ lệ dinh dưỡng, thời gian lưu, nồng độ sinh khối và sự hiện diện của các chất độc. Một hệ thống có nhiều vi sinh vật nhưng tải lượng đầu vào tăng đột ngột vẫn có thể xử lý kém vì tốc độ cung cấp chất thải vượt khả năng chuyển hóa của quần thể

Vì vậy, hiệu quả không thể chỉ đánh giá bằng câu “vi sinh vật phân hủy tốt hay không”. Cần xem xét cả tải đầu vào, điều kiện môi trường, trạng thái sinh khối và khả năng tách phần sinh khối sau xử lý

Chất thải được biến đổi và tách ra khỏi hệ thống như thế nào?

Trong quá trình sinh học, chất hữu cơ không biến mất hoàn toàn mà được chuyển thành các dạng khác nhau. Một phần trở thành carbon dioxide và nước; một phần được tích hợp vào sinh khối mới; một phần có thể đi qua các bước chuyển hóa tiếp theo tùy loại công nghệ

Đây là lý do xử lý sinh học thường cần đi cùng bước tách chất rắn. Ở hệ bùn hoạt tính, bùn sinh học sau bể phản ứng được đưa sang bể lắng. Phần bùn lắng xuống có thể được hồi lưu để duy trì nồng độ vi sinh vật cần thiết, còn phần bùn dư phải được loại bỏ và xử lý tiếp

Một số công nghệ sử dụng vi sinh vật bám trên vật liệu mang thay vì tồn tại chủ yếu ở dạng bùn lơ lửng. Dù cấu hình khác nhau, logic chung vẫn là tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp xúc với chất ô nhiễm, thực hiện chuyển hóa rồi tách sinh khối hoặc sản phẩm phản ứng khỏi dòng đã xử lý

Phương pháp sinh học có giới hạn gì?

Giới hạn đầu tiên là thành phần chất thải phải phù hợp với khả năng phân hủy sinh học của quần thể vi sinh vật. Các hợp chất khó phân hủy hoặc độc với vi sinh vật có thể làm giảm mạnh hiệu suất, thậm chí gây mất ổn định hệ thống

Giới hạn thứ hai là xử lý sinh học không đồng nghĩa với xử lý toàn bộ mọi chất ô nhiễm. Xử lý thứ cấp chủ yếu nhắm vào chất hữu cơ phân hủy sinh học và chất rắn liên quan. Những mục tiêu như loại bỏ sâu nitrogen, phosphorus, kim loại, hợp chất tổng hợp khó phân hủy hoặc vi sinh vật gây bệnh có thể đòi hỏi các công đoạn bổ sung

Vận hành cũng có trade-off rõ ràng. Chẳng hạn, hệ bùn hoạt tính cần năng lượng cho sục khí và khuấy trộn; EPA ghi nhận đây là một trong những lý do chi phí vận hành của hệ thống này có thể cao hơn một số công nghệ màng sinh học cố định

Do đó, “xử lý bằng vi sinh vật” không nên được hiểu là chỉ cần bổ sung vi sinh là chất thải tự phân hủy. Hệ thống phải kiểm soát đúng điều kiện sinh học, tải lượng đầu vào, độc tính và khâu tách sinh khối; trong nhiều trường hợp còn cần kết hợp xử lý hóa lý hoặc khử trùng để đạt yêu cầu cuối cùng

Làm thế nào để hiểu đúng quy trình xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học?

Có thể tóm tắt cơ chế theo chuỗi:

Chất thải chứa chất có khả năng phân hủy sinh học → vi sinh vật tiếp xúc với chất thải → vi sinh vật sử dụng chất đó cho trao đổi chất → chất hữu cơ được chuyển hóa thành sinh khối và sản phẩm cuối → sinh khối được tách hoặc tuần hoàn → dòng sau xử lý tiếp tục qua các công đoạn cần thiết

Điểm cốt lõi nằm ở bước giữa: vi sinh vật phải có đúng điều kiện để thực hiện trao đổi chất. Nếu oxy, pH, nhiệt độ, dinh dưỡng hoặc tải lượng không phù hợp, quá trình chuyển hóa sẽ thay đổi và hiệu suất xử lý có thể giảm

Vì thế, bản chất của phương pháp sinh học không phải là “vi sinh vật ăn chất thải”, mà là điều khiển một hệ sinh học để vi sinh vật chuyển hóa các chất ô nhiễm theo con đường mong muốn, sau đó tách sinh khối và xử lý tiếp phần còn lại khi cần

Phương pháp xử lý sinh học hoạt động bằng cách khai thác hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật để phân hủy hoặc chuyển hóa các chất có khả năng phân hủy sinh học. Hiệu quả phụ thuộc vào cơ chế vi sinh, điều kiện môi trường, tải lượng chất thải và khả năng tách sinh khối. Khi các yếu tố này được kiểm soát đúng, xử lý sinh học có thể trở thành công đoạn cốt lõi trong nhiều hệ thống xử lý; ngược lại, các chất khó phân hủy, độc hoặc các yêu cầu loại bỏ chuyên sâu có thể cần thêm công đoạn khác