Xử lý sinh học hiếu khí phân hủy chất hữu cơ như thế nào?

Xử lý sinh học hiếu khí thực chất là quá trình nào?

Về bản chất, đây không phải là quá trình oxy hóa hóa học trực tiếp toàn bộ chất ô nhiễm mà là quá trình biến đổi sinh học do quần thể vi sinh vật thực hiện. Nước thải chứa các hợp chất hữu cơ dễ hoặc có khả năng phân hủy sinh học sẽ trở thành nguồn cơ chất cho vi sinh vật.

Có thể hình dung chuỗi xử lý như sau:

Nước thải chứa chất hữu cơ → tiếp xúc với quần thể vi sinh vật → được vi sinh vật hấp thụ và chuyển hóa → tạo CO₂, H₂O và sinh khối → sinh khối được tách khỏi nước.

Trong hệ bùn hoạt tính, hỗn hợp vi sinh vật và nước được sục khí trong bể phản ứng. Sau đó, bùn được đưa sang công đoạn lắng; một phần bùn có thể được tuần hoàn về bể sinh học để duy trì quần thể vi sinh vật, phần dư được loại bỏ khỏi hệ thống.

Điểm quan trọng là chất hữu cơ không biến mất chỉ vì có sục khí. Oxy tạo điều kiện cho quá trình chuyển hóa của vi sinh vật; còn chính hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật mới là cơ chế làm giảm tải chất hữu cơ trong nước.

Vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ bằng oxy như thế nào?

Khi nước thải đi vào vùng hiếu khí, chất hữu cơ và oxy hòa tan trở thành hai yếu tố đầu vào quan trọng của quá trình trao đổi chất. Vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm cơ chất, đồng thời dùng oxy trong chuỗi phản ứng sinh học để thu năng lượng.

Có thể biểu diễn giản lược:

Chất hữu cơ O₂ → CO₂ H₂O năng lượng sinh khối mới

Phản ứng thực tế phức tạp hơn nhiều vì chất hữu cơ trong nước thải không phải một chất đơn lẻ. Một phần cơ chất được dùng cho duy trì tế bào, một phần cho tổng hợp tế bào mới và một phần được oxy hóa để tạo năng lượng. EPA mô tả quá trình hiếu khí theo hướng chất hữu cơ và oxy được vi sinh vật chuyển hóa thành CO₂, H₂O, năng lượng và phần cặn hoặc sinh khối còn lại.

Điều đó giải thích vì sao xử lý sinh học hiếu khí thường tạo ra bùn sinh học. Khi vi sinh vật tăng trưởng, một phần vật chất hữu cơ ban đầu được chuyển thành tế bào mới. Nếu sinh khối này không được tách khỏi dòng nước, chất rắn lơ lửng vẫn có thể đi ra cùng nước sau xử lý.

Ở giai đoạn cơ chất giảm xuống, vi sinh vật còn có thể chuyển sang sử dụng vật chất tế bào làm nguồn năng lượng thông qua hô hấp nội sinh. Đây là một trong những cơ chế khiến thành phần và lượng bùn thay đổi theo điều kiện vận hành.

Oxy và điều kiện bể sinh học quyết định hiệu quả ra sao?

Sục khí không đơn thuần là đưa không khí vào bể. Mục tiêu là cung cấp đủ oxy hòa tan và tạo sự tiếp xúc thích hợp giữa nước thải, oxy và sinh khối.

Trong hệ bùn hoạt tính, nhu cầu oxy phụ thuộc vào lượng chất hữu cơ đưa vào, hoạt tính của vi sinh vật, thiết bị cấp khí, khả năng truyền oxy vào nước và các điều kiện như pH, nhiệt độ.

Một thông số thường được dùng để theo dõi là DO — oxy hòa tan. EPA ghi nhận nồng độ DO cần thiết để duy trì hoạt động sinh học ổn định ở hệ bùn hoạt tính thường vào khoảng 1,0–2,0 mg/L, tùy điều kiện hệ thống; một số tài liệu vận hành sử dụng mức khoảng 2 mg/L cho điều kiện xử lý carbon thông thường. Nitrification có thể đòi hỏi điều kiện oxy khác và thường cao hơn.

Thiếu oxy có thể làm giảm khả năng xử lý vì vi sinh vật không nhận đủ điều kiện cho hoạt động hiếu khí. Ngược lại, cấp khí quá mức cũng không đồng nghĩa hiệu quả luôn tăng. Sục khí quá nhiều làm tăng tiêu thụ năng lượng và có thể làm phát sinh các vấn đề vận hành khác.

Vì vậy, hiệu quả của bể hiếu khí phụ thuộc vào sự cân bằng giữa:

·         Tải lượng chất hữu cơ

·         Lượng và hoạt tính của vi sinh vật

·         Khả năng truyền oxy

·         Nồng độ oxy hòa tan

·         Thời gian lưu và tuổi bùn

·         pH và nhiệt độ

·         Khả năng lắng và tách sinh khối

Không thể đánh giá một hệ xử lý chỉ bằng việc thiết bị có đang sục khí hay không.

Vì sao cùng là xử lý hiếu khí nhưng hiệu quả không giống nhau?

Hiệu suất xử lý phụ thuộc mạnh vào loại chất hữu cơ, tải lượng đưa vào và cách hệ thống được vận hành. Những hợp chất dễ phân hủy sinh học thường thuận lợi hơn cho quần thể vi sinh vật, trong khi các chất khó phân hủy hoặc có độc tính có thể làm giảm hoạt tính sinh học.

Với bùn hoạt tính, EPA ghi nhận các hệ thống được thiết kế cho xử lý BOD thường có thể đạt khoảng 85–95% mức giảm BOD, nhưng đây là khoảng hiệu suất tham khảo chứ không phải giá trị cố định cho mọi loại nước thải. Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào đặc tính nước thải, tải lượng, cấu hình sục khí và thời gian lưu cùng nhiều yếu tố vận hành khác.

Một yếu tố khác là sự thay đổi quần thể vi sinh vật. Điều kiện trong bể khác nhau sẽ tạo lợi thế cho các nhóm vi sinh vật khác nhau. EPA lưu ý rằng những thay đổi của môi trường bể sục khí có thể làm thay đổi quần thể vi khuẩn phát triển, trong đó sự phát triển quá mức của vi khuẩn dạng sợi có thể ảnh hưởng đến đặc tính lắng của bùn.

Do đó, xử lý sinh học hiếu khí cần được xem là một hệ sinh học được điều khiển, thay vì chỉ là một bể chứa nước thải có máy thổi khí.

Xử lý sinh học hiếu khí loại bỏ được gì và còn giới hạn ở đâu?

Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng xử lý các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học bằng cơ chế tự nhiên của vi sinh vật. Tuy nhiên, quá trình không đồng nghĩa với việc mọi chất ô nhiễm trong nước thải đều được phân hủy hoàn toàn.

Những giới hạn chính gồm:

·         Chất hữu cơ khó phân hủy có thể vẫn tồn tại sau xử lý

·         Chất độc hoặc chất ức chế có thể ảnh hưởng đến quần thể vi sinh vật

·         Quá trình tạo ra sinh khối nên phát sinh bùn cần quản lý

·         Hiệu quả phụ thuộc vào điều kiện sinh học và tải lượng đầu vào

·         Cấp khí tạo ra nhu cầu năng lượng đáng kể

·         Khả năng xử lý nitơ, phospho hoặc các chất ô nhiễm đặc thù phụ thuộc vào cấu hình sinh học được lựa chọn

Đặc biệt, cần phân biệt loại bỏ chất hữu cơ khỏi nước với phân hủy hoàn toàn thành chất vô cơ. Một phần chất hữu cơ được chuyển thành sinh khối, sau đó phải được tách qua quá trình lắng và quản lý bùn. Vì thế, đánh giá một hệ hiếu khí chỉ bằng nồng độ chất hữu cơ trong bể là chưa đủ; cần xem cả quá trình chuyển hóa và tách sinh khối.

Ý nghĩa thực tế của cơ chế hiếu khí khi vận hành hệ thống

Hiểu cơ chế phân hủy giúp xác định đúng nguyên nhân khi hệ thống xử lý hoạt động không ổn định.

Nếu chất hữu cơ đầu vào tăng mạnh nhưng khả năng cung cấp oxy và lượng sinh khối không theo kịp, tải lên hệ vi sinh sẽ tăng. Nếu oxy không được truyền đủ vào hỗn hợp, hoạt động hiếu khí có thể suy giảm. Nếu điều kiện bể thay đổi đột ngột, quần thể vi sinh vật có thể thay đổi theo và làm ảnh hưởng đến khả năng xử lý cũng như đặc tính lắng của bùn.

Ngược lại, một hệ thống được vận hành tốt phải duy trì sự phù hợp giữa tải lượng hữu cơ, sinh khối, oxy và điều kiện môi trường. Đây cũng là lý do các thông số như DO, tải BOD, thời gian lưu và đặc tính bùn có ý nghĩa trực tiếp đối với vận hành chứ không chỉ là các chỉ số theo dõi trên hồ sơ kỹ thuật.

Nói cách khác, oxy không trực tiếp “ăn” chất hữu cơ; oxy tạo điều kiện để vi sinh vật thực hiện quá trình trao đổi chất, còn vi sinh vật mới là tác nhân sinh học trung tâm làm thay đổi chất hữu cơ trong nước thải. Khi quá trình này được duy trì đúng điều kiện, chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học được chuyển hóa thành CO₂, H₂O và sinh khối, sau đó sinh khối được tách ra khỏi dòng nước để hoàn tất chuỗi xử lý.

Vì vậy, muốn đánh giá đúng xử lý sinh học hiếu khí, cần nhìn toàn bộ chuỗi vi sinh vật → cơ chất → oxy → chuyển hóa → sinh khối → tách bùn, thay vì chỉ nhìn vào công đoạn sục khí.