Sinh Hóa Môi Trường

1


Sinh Hóa Môi Trường

Mục lục

2


Sinh Hóa Môi Trường

1. Quá trình sinh học hiếu khí
Có thể hiểu tương tự như phương pháp xử lý truyền thống bùn hoạt tính – sự oxi hóa
BOD. Mặc dù vi khuẩn chiếm ưu thế trong quá trình màng sinh học khác hoàn toàn với vi
khuẩn trong bùn hoạt tính về hình thái và trạng thái, nhưng chúng có cùng chức năng và
giống. Sự tương đồng này là đương nhiên, vì sinh vật sử dụng cùng điện tử trao đổi và được
đặt vào cùng điều kiện môi trường, như là nhiệt độ, dinh dưỡng và thời gian lưu. Hơn nữa,
quá trình đạt được chất lượng dòng chảy giống nhau.
Điểm chính khác biệt giữa quá trình màng sinh học và bùn hoạt tính là điều kiện duy trì
và tích lũy sinh khối. Cả hai gần như dựa vào sự tích tụ năng lượng sinh khối tự nhiên.
Trong khi quá trình keo tụ, sa lắng và tái sử dụng là cơ sở chính của bùn hoạt tính, kết dính
vào bề mặt rắn là cơ sở cho tích lũy màng sinh học. Trong một vài trường hợp, khai thác
khả năng kết dính tạo thuận lợi thực hiện quá trình màng sinh học và tăng chi phí lợi ích.
Để tìm ra những lợi ích tiềm năng trên, cuối năm 1980 và 1990 có nhiều đề tài nghiên
cứu và hoạt động phát triển về hệ thống và ứng dụng phản ứng màng sinh học mới. Xét về
mặt hệ thống, lĩnh vực về các hạt nền nhỏ cố định, dung dịch nền, và quá trình trung gian
cặn lơ lửng và màng sinh học được phát triển để áp dụng vào xử lý nước thải. Những công
nghệ mới này được nhắc đến trong suốt chương, tập trung vào việc xử lý nước thải. Xét về

mặt ứng dụng, quy trình màng sinh học đã được phát triển để xử lý nước uống và luồng khí
ô nhiễm bởi hợp chất hữu cơ bay hơi. Mặc dù việc thiết kế các ứng dụng mới dựa vào các
quy luật giống nhau như mẫu thiết kế xử lý nước thải, nhưng những ứng dụng mới này có
khía cạnh khác biệt. Xử lý nước uống được đề cập ở chương 12 và xử lý không khí được
thảo luận ở chương 15.
Bảng 8.1 tóm tắt các tham số động lực học giới hạn cho giải pháp màng sinh học của
BOD. Các giá trị được cho trong bảng 8.1 là cơ sở hữu ích cho việc thiết kế và thể hiện theo
chuẩn của trình độ phương pháp. Những giá trị cơ bản thì không được tính toán đặc biệt từ
ảnh hưởng của nhiệt độ, cấu trúc trung gian, sự hiện diện của chất ức chế, pH, hay các yếu
tố khác có thể tăng hoặc giảm sự thay đổi chất nền. Công nghệ thiết kế và phân tích được
giới thiệu ở chương 4 có thể áp dụng để tính toán các yếu tố chuyên biệt. Trong trường hợp
riêng biệt, giá trị JR cung cấp những chuẩn số tốt để đánh giá sự tải thấp hay tải cao là đặc
điểm để vận hành hệ thống. Những nghiên cứu nên xem lại chuyên đề bề mặt tải thường của
chương 4 để giải nghĩa JR , tải thấp và tải cao là không giống nhau. Ví dụ trong chương 4
cũng làm sáng tỏ tính chất của màng sinh học và thể hiện chi tiết phân tích động học như thế
nào.

Bảng 8.1 Các thông số trích dẫn và cơ bản xử lý màng sinh học hiếu khí của BOD.
3


Sinh Hóa Môi Trường
Thông số

Giá trị a

Giới hạn chất nền b

BODL


Y, mg VSSa/mg BODL

0.45

qˆ, mg BODL/mg VSSa-d

10

K, mg BODL/l

1.0

b, d-1

0.1

Bdet, d-1

0.1

b', d-1

0.2

θx, d

10

D, cm2/d


0.2c

Df, cm2/d

0.16

Xf, mg VSSa/cm3

40

L, cm

0.0029

S*min, mg BODL/l

0.047

S*min

0.047

K*

0.27

JR, mg BODL/cm2-d

0.033


Chú ý:
a

là giá trị chung cho T = 15°C

b

là giới hạn chất nền hỗn hợp BODL

c

giả thuyết rằng BODL có công thức khối lượng trung bình 1, 000g/mol.

4


Sinh Hóa Môi Trường

2. Xem xét quá trình màng sinh học (Biofilm process
considerations)
Sự oxi hóa của BOD trong màng sinh học được bắt đầu từ thế kỷ 20, khi bộ lọc nhỏ giọt
chất rắn trung gian được giới thiệu. Sự xuất hiện của môi trường nhựa trung gian cho phép
tháp sinh học và màng xoay sinh học thách thức bộ lọc nhỏ giọt vật cứng bắt đầu từ năm
1960 đến 1970. Sau đó, vào cuối năm 1980 và đầu năm 1990, phạm vi của phát minh giải
pháp được đầu tư cho mục đích cải thiện các yếu tố hiệu suất vượt qua những tiêu chuẩn của
máy lọc nhỏ giọt, tháp sinh học và bộ tiếp xúc sinh học rotor quay. Giờ đây, kỹ sư có nhiều
lựa chọn hệ thống màng sinh học từ những thiết kế mới. Cùng thời điểm đó, người đó có thể
giải quyết với sự hoạt động của những điều kiện tồn tại thuận lợi, yếu tố vận hành từ bộ lọc
nhỏ giọt vật cứng thông qua những phát minh hệ thống mới nhất.
Mặc dù nhiều góc độ đa dạng lớn của quá trình màng sinh học, những yếu tố quan trọng

duy trì đặc tính thích hợp. Tầm quan trọng của các yếu tố khác chính là sự thay đổi BOD để
đạt chất lượng nước thải tương thích cho xử lý nước thải. Với hầu hết quá trình màng sinh
học, trạng thái BOD thay đổi xuống trong phạm vi từ 2 đến 10kg BODL/1,000 m2-d. Chính
phạm vi hoạt động thông thường thích hợp cho vùng tải cao, hoặc khi J > JR. Hình 8.1 thể
hiện vùng này trên đường cong tải thường cho thông số của bảng 8.1.

Hình 8.1 Tiêu chuẩn hóa biểu đồ phụ tải quá trình oxi hóa chung của màng sinh học
hiếu khí (Smin = 0.047, S*min = 0.047 mg/l, K* = 0.27 và JR = 0.33 mg/cm2-d) thể hiện
giá trị tiêu biểu J/JR xử lý nước thải vùng tải cao.
Trong phạm vi tải cao có ý nghĩa là tỷ lệ ổn định dòng chảy tập trung cho chất nền hữu
cơ thì nhạy cảm để thay đổi trong J. Bảng 8.1 thể hiện độ nhạy này. Sự thay đổi trong J/JR
từ 8.5 đến 40, gần nếp gấp thứ 5, tương ứng với nếp gấp thứ 3 tăng S/Smin, từ khoảng 80
đến khoảng 400. Từ quan sát đầu, độ nhạy này không thích hợp. Tuy nhiên, ba yếu tố giải
5


Sinh Hóa Môi Trường
thích rõ tại sao độ nhạy này chấp nhận được trong đặc trưng nước thải thực tiễn. Đầu tiên, S
duy trì thấp, đến khi Smin là nhỏ : cho Smin = 0.047 mg BODL/l ( bảng 8.1), S thay đổi từ
gần 4 đến 20 mg BODL/l, giá trị dưới tiêu chuẩn nước thải thông thường.
Thứ hai, nhiều nước thải hòa tan BODL hay COD gồm có SMP – rất khó thay đổi. Thứ
ba, tổng dòng chảy BODL và COD cũng bao gồm chất rắn lơ lửng dễ bay hơi, các chất mà
phụ thuộc vào tỷ lệ kết dính màng sinh học. Do đó, các lựa chọn có thể cho J thì không thể
trực tiếp kiểm soát bởi sự tích lũy chất nền. Thay vào đó, sự xem xét về kinh tế và thực tiễn
thì mang tính quyết định (ví dụ, nguồn oxy bổ sung, độ cồng kềnh trung gian và độ kết dính
màng sinh học).

3. Bể lọc nhỏ giọt và tháp sinh học (Trickling filters and biological
towers)
Bộ lọc nhỏ giọt bằng đá cỡ trung bình , lần đầu được sử dụng ở Anh vào năm 1893 dần trở

nên phổ biến tại Hoa Kỳ trong năm 1920 và vẫn được sử dụng phổ biến cho đến nay. Những
viên đá lọc nhìn chung có kích thước từ 25 đến 100 mm (1 đến 4 inch) và khá bất thường
về hình dạng . Hình 8.2 sẽ cho ta cái nhìn chặt chẽ và toàn cảnh của các đầu lọc nhỏ giọt
bằng đá . Độ sâu của tầng đá thường là 1-2 m và được điều khiển bởi những hạn chế trọng
lượng mang của hệ thống từ hệ thống cống ngầm (underdrain) . Bề mặt xác định của một bộ
lọc đá khoảng 40 m-1
Vào những năm 1970 , hệ thống bằng nhựa bắt đầu thay thế các hạt đá trong các thiết kế
mới . Các hệ thống nhựa nhẹ hơn nhiều so với đá , cho phép độ sâu lọc lên đến 12m. Nó
cũng có độ xốp lớn hơn nhiều (95% so với 40% của đá) và diện tích bề mặt riêng (khoảng
200 m-1) . Hình 8.3 cho thấy một cái nhìn cận cảnh của các loại hệ thống nhựa được sử dụng
rộng rãi nhất , mô-đun sóng được xếp chồng lên nhau bên trong một vòng hoặc tháp vuông.
Do có chiều cao lớn hơn, hệ thốnglọc nhỏ giọt lọc bằng nhựa thường được gọi là tháp sinh
học.
Dù dưới dạng đá hoặc tháp, tất cả bộ lọc nhỏ giọt hiện đại (hoặc tốc độ cao) đều có những
đặc điểm sau (thể hiện bằng sơ đồ trong hình 8.4):
• Nước thải được áp dụng trong điều kiện "nhỏ giọt" hoặc theo 3 giai đoạn, trong đó
nước( giai đoạn đầu) được chuyển tải đi dọc theo một bề mặt xốp không bão hòa
trung bình (giai đoạn thứ hai ) . Không khí di chuyển lên trên hoặc tải xuống ( giai
đoạn thứ ba) với mục đích cung cấp oxy.
• Nước thoát khỏi đáy của bộ lọc nhỏ giọt được chuyển đến bể lắng để làm giảm nồng
độ của nước thải và tổng số chất rắn lơ lửng BOD L. Bùn, thường được gọi là chất
mùn (humus), thường bị lãng phí trong quá trình lắng của dòng chảy ngầm.

6


Sinh Hóa Môi Trường
• Nước thải (hoặc nước thải từ bộ lọc trước khi làm lắng gạn) được tái chế để thiết lập
quyền kiểm soát đường truyền tải thủy lực đến bộ lọc nhỏ giọt. Tốc độ dòng tái chế
(Qr) thường bằng 50-400 % tốc độ dòng chảy đến (Q).

Với bộ lọc nhỏ giọt tốc độ cao , độ truyền tải thuỷ lực được xác định bằng:
H.L. = Q + Q r / Apv
Trong đó Apv là diện tích bề mặt của bộ lọc nhỏ giọt, với một bộ lọc tròn. A pv = r2 π trong đó
r là bán kính của các bộ lọc. phạm vi bình thường của truyền tải thủy lực với một bộ lọc nhỏ
giọt tốc độ cao là 10-40 m/d . Để duy trì bề mặt truyền tải BOD có thể cho phép được, dòng
chảy đến phải được trộn với nước thải tái chế để đạt đến truyền tải thủy lực trong khoảng
này.
Mặc dù việc dùng nước thải tái chế để kiểm soát truyền tải thủy lực đã được áp dụng
thành công với bộ lọc nhỏ giọt tốc độ cao trong nhiều thập kỷ, nhưng tại sao nó hoạt động
vẫn là một chủ đề gây tranh cãi. Nâng cao truyền tải thủy lực đến phạm vi bình thường, có
bốn điều nên tăng cường hiệu suất quá trình. Một, tăng truyền tải thủy lực làm cho bề dầy
tầng nước có thể lớn hơn, làm tăng thời gian ngăn cản hoặc giữ lại và cũng có thể làm tăng
diện tích bề mặt được làm ẩm để hoạt động phân hủy sinh học tích cực hơn . Hai, truyền tải
thủy lực lớn hơn có xu hướng phân tán các màng sinh học sâu hơn vào tầng đất, nên cho
phép diện tích bề mặt chủ động hơn trong việc phân hủy sinh học và sẽ làm giảm khả năng
tắc nghẽn . Ba, ứng suất cắt cao hơn có thể làm tăng sự tách các sinh khối dư thừa, làm giảm
nguy cơ tắc nghẽn khí . Bốn, khi tăng một truyền tải thủy lực có thể làm tăng tỷ lệ chuyển
giao khối lượng oxy từ không khí.
Việc sử dụng nước thải tái chế để nâng truyền tải thủy lực tạo ra hai hiệu ứng khác có thể
cải thiện hiệu suất quá trình. Đầu tiên, tái chế nước thải loãng BOD chảy đến bộ lọc đầu vào
và có thể làm tăng nồng độ D.O . Do đó, tỷ lệ BOD/D.O trong bộ lọc bị giảm, giảm khả
năng làm hạn chế oxy . Thứ hai, sự pha trộn của dòng chảy đến và tái chế làm suy giảm
BOD - biến động của truyền tải và kết quả vấn đề của tình trạng quá tải BOD và làm cạn
kiệt D.O.
Cùng với truyền tải thủy lực, các thông số thiết kế quan trọng nhất là việc truyền tải bề
mặt BOD, đó là các thay đổi liên tục của bề mặt. Nó được tính toán từ
S.L = Q S0 / Apvha
trong đó h là chiều sâu bộ lọc, S 0 là hàm lượng BOD chảy đến và a là diện tích bề mặt trung
bình cụ thể . Hầu hết các bộ lọc nhỏ giọt hoạt động trong phạm vi của S.L = 2-7 kg BOD L /
1000m2-d (0,2-0,7 mg /cm2-d) .Phạm vi truyền tải này đặt quá trình hình thành trong các

hạng mục truyền tải cao.
7


Sinh Hóa Môi Trường
Các truyền tải thấp hơn thường là không có tính kinh tế. Các truyền tải cao hơn có vẻ không
khả thi do bị giới hạn trên thực tế về tốc độ truyền tải oxy hoặc sự tách rời màng sinh học .
Parker và đồng nghiệp dự toán rằng tốc độ truyền oxy thực tế tối đa vào khoảng 28 kg O 2 /
1000m2-d ; do đó phạm vi thiết kế bình thường trong BOD tuôn ra là an toàn phía dưới
thông lượng oxy tối đa . Bộ lọc thô này tận dụng "thêm" khả năng chuyển oxy bằng cách
tăng truyền tải bề mặt lên đến 45 kg BODL / 1000m2-d và truyền tải thủy lực lên đến 200m/d
. Họ có thể loại những trở ngại do mùi hôi gây ra , tỷ lệ phần trăm BOD và chất rắn lơ lửng
quá mức trong nước thải.
Tải trọng thể tích có tầm quan trọng to lớn về kinh tế,
V.L = Q.S0/Apvh
Tải trọng thể tích thông thường của bộ lọc nhỏ giọt tốc độ cao vào khoảng 0,3 đến 1,0 kg
BOD5/m3-d . Bộ lọc thô có thể có tải trọng thể tích cao hơn nhiều lên đến 6 kg BOD 5/m3-d .
Điều thú vị là trong khoảng 0,3-10 kg / m3-d có sự giống nhau cơ bản về tải trọng thể tích
thông thường cho bùn hoạt tính truyền thống và giải thích cách cả hệ thống cùng tồn tại như
cạnh tranh thay thế cách ly trong nhiều thập kỷ .
Chức năng của bể lắng là để tạo ra một ít chất rắn lơ lửng có trong nước thải , hàm
lượng chất rắn bể lắng tuy lãng phí, nhưng không tái sử dụng cho bộ lọc nhỏ giọt bởi vì các
màng sinh học đính kèm cung cấp những sinh khối duy trì cần thiết . Thông số thiết kế
chính là tỷ lệ chảy tràn ,
O/F = Q + Q r – Q w / A s
Q w là tốc độ dòng chảy bùn và A s là diện tích bề mặt của các bể lắng . Tỷ lệ chảy tràn nên
duy trì ít hơn 48m/d (1,200 gpd /ft2) cho lưu lượng đỉnh (peak) . Giá trị này được sử dụng
tương tự như một lưu lượng đỉnh chuẩn cho bùn hoạt tính . Bởi vì tỷ lệ tái chế nước thải
cao,tỷ lệ trung bình tốc độ chảy tràn thấp hơn đáng kể cho bộ lọc nhỏ giọt , so với bùn hoạt
tính .

Hệ thống cống ngầm của một bộ lọc nhỏ giọt thường được xây dựng theo khuôn men sứ có
rãnh ngọn để hỗ trợ cùng lúc trọng lượng hệ thống và lượng nước nhận vào . Cống ngầm
được đặt trực tiếp trên sàn bộ lọc , có độ dốc 1 đến 2 % để nước thoát đi theo một rãnh trung
tâm để gom lại và được mở chung quanh chu vi của bộ lọc để cho phép cósự lưu thông
không khí .
Bộ lọc thông gió tự nhiên dựa vào sự khác nhau giữa nhiệt độ không khí xung quanh và
không khí sát bể lọc. Kết quả áp suất trong cột do sự khác nhau của nhiệt độ có công thức
∆Pdraft = 0.353 (1/Tam – 1/Tpore)h
8


Sinh Hóa Môi Trường
Trong đó Pdraft là áp suất cột thông khí theo cm của nước, T am là nhiệt độ không khí xung
quanh theo K, Tpore là nhiệt độ không khí sát bể theo K và h là chiều sâu của bể theo m. Nếu
Tam > Tpore thì Pdraft < O. Kết quả tỷ lệ thể tích là một trong những tổn thất hàng đầu khi tỷ lệ
chỉ cân bằng Pdraft. Nguyên tắc cốt yếu cho việc giảm đến mức tối thiểu các tổn thất hàng
đầu là thiết kế cống ngầm được đưa ra bởi Liên Đoàn Môi Trường Nước (1992).
Mặc dù thiết kế này đúng cách, vài lần kinh nghiệm bể lọc nhỏ giọt khi T am và Tpore quá
chậm hầu như không xảy ra khí lưu. Sự ứ đọng khí có khuynh hướng xảy ra nhiều nhất vào
mùa xuân, khi nhiệt độ không khí và nước thải giống nhau. Thiếu khí lưu có thể dẫn đến
nhiều vấn đề nghiêm trọng, bao gồm mất hiệu quả xử lý, nhất là màng sinh học (bong tróc)
và mùi. Thông gió không khí cưỡng bức thường được sử dụng để tránh sự ứ đọng hoặc khi
bể lọc quá tải. Một hệ thống quạt được yêu cầu để phát ra vận tốc khí thấp nhất là 0.3m/min
(1 ft/min).
Trong giai đoạn thời tiết lạnh, khí lưu lớn (tự nhiên hoặc nhân tạo) có thể lẫn tạp chất nếu
nhiệt độ lạnh dễ bay hơi thấp hơn nhiệt độ của nước quá nhiều. Nhiệt độ thấp làm giảm tỷ lệ
của hoạt động sinh học và có thể dẫn đến hình thành nước đá.
Bể lọc nhỏ giọt dễ bị ảnh hưởng, nhất là sự tách ra của màng sinh học., gọi là bong tróc.
Một sự cố bong tróc cơ bản gây ra hư hỏng nghiêm trọng của chất lượng phun một cách
trực tiếp thông qua các chất rắn lơ lửng thải ra và những tác động gián tiếp xảy ra với sự

mất đi sinh khối trên sự thay đổi của chất nền, bong tróc đặc trưng xảy ra trong suốt giai
đoạn ứ đọng khí, chẳng hạn trong suốt cuối mùa xuân, khi nhiệt độ không khí và nhiệt độ
của nước thì giống nhau. Có thể đoán, điều kiện kỵ khí trong màng sinh học dẫn đến suy
yếu cấu trúc (có thể thông qua họ acid...) dẫn đến bề mặt bị hỏng làm cho những mảnh lớn
của màng sinh học vỡ ra. Như vậy, duy trì thông khí thích hợp là mấu chốt để ngăn chặn
tình trạng bong tróc.
Albertson (1989) đề nghị rằng cách điển hình đối với nước được ứng dụng ở trên đỉnh của
bể lọc với những vấn đề bong tróc nghiêm trọng. Dựa vào quá trình hoạt động ở Germany,
Albertson đề nghị rằng những phần phân phối của máy quay phải chậm, việc này tạo nên
những mạch tải nước vững chắc. Mạch này ngăn chặn tích lũy quá mức của màng sinh học,
ông tin rằng đó là cốt yếu gây ra bong tróc. Để đạt được mức độ thích hợp của mạch.
Albertsn đề nghị cường độ phun phải trong mức từ 0.1 đến 0.5 m/vòng... với các giá trị lớn
hơn cần cho lượng BOD cao hơn. Cường độ phun là SK tên tiếng Đức của nó là Spulkraft
được tính
SK = (Q + Qr)/(Apvnω). (d/1.440 phút)
Trong đó
SK = cường độ phun, m/vòng...
9


Sinh Hóa Môi Trường
n = số nhánh phân phối
ω = tốc độ xoay vòng mỗi phút (rpm)
Thông thường Bắc Mỹ có giá trị SK 0.002 đến 0.01 m/vòng... . Để tăng giá trị SK, tốc độ
quay của bộ phận phân phối phải chậm. Ví dụ, số nhánh phân phối là 2 (n = 2) với sức chứa
nước ((Q + QR)/Apv) là 30 m/d phải có tốc độ quay (omga) là 0.1 rpm để SK đạt 0.1
m/vòng...
Một trong những nhược điểm lớn nhất của bể lọc, so sánh với nước thải đã qua xử lý thì
nồng độ chất rắn lơ lửng tương đối cao. Nguyên nhân được xem là do việc loại bỏ chất rắn
độc hại từ màng sinh học theo nền liên tiếp (không bong tróc theo chu kỳ) thì dính kết kém.

Có một cách để giảm bớt vấn đề dính kết này đó là tiếp cận chất rắn. Dính kết trong một bể
nhỏ gồm trong dây dò từ dòng nước bên dưới bể lọc đến bể lắng. Bể tiếp cận chất rắn này
có thể là một ống rời, một ống dẫn mở, hay là một trung tâm tập hợp trong bể. Hầu hết dạng
chủ yếu là hoạt động hơi chậm để cung cấp thời gian và những va chạm của phần tử cho
chất rắn sinh học để tạo khối. Giữ chất lỏng mất từ 2 đến 60 phút, thông thường là 20 phút.
Ở một số nguyên nhân, chất rắn trong nước bên dưới bể thì được thu lại và pha trộn với
nước bên dưới của bể lọc để kết thành keo tụ. Được cho như là một môi trường đẩy mạnh
keo tụ, vi khuẩn và keo hữu cơ bị loại bỏ từ tổng hợp đủ để lắng trong bể tốt.
Những nhánh phân phối xoay vòng được thiết kế theo đường kính ống dẫn và chiều dài của
nó. Tăng chiều dài và đường kính của nhánh làm tăng tốc độ dòng chảy lên đến giá trị mà
nó có thể đạt được. Những chi tiết liên quan đến năng suất dòng chảy của một bộ phận phân
phối có thể đạt được nhờ vào chế tạo. Lưu lượng thực tế đạt được dựa vào hao hụt cột áp có
thể được áp dụng. Trong một số trường hợp những bộ phận phân phối bằng vòi phun cố
định được sử dụng. Vòi phun phẳng đặc biệt được sử dụng để bảo đảm rằng nước được tản
đều qua đệm với tốc độ dòng chảy của mỗi vòi phun.
Lọc sinh học tốc độ thấp hay lọc sinh học tốc độ trung bình được quan tâm chủ yếu trong
quá khứ , tuy nhiên một số hệ thống nhỏ còn lại trong phục vụ. Lọc sinh học tốc độ thấp sử
dụng tải trọng thủy lực thấp (1-4 m / d), không sử dụng lại dòng chảy ra, và có lượng chảy
gián đoạn. Đó là những đặc trưng tạo nên tải thể tích thấp (0084 - 0,4 kg BOD5 / m3-d).
Một thùng định lượng, hoạt động như một ống siphon, được sử dụng để đảm bảo rằng các
cánh tay phân phối xoay đúng cách trong suốt quá trình thi hành.Thùng định lượng nhỏ, kết
quả trong khoảng chu kì 4 phút cho điều kiện dòng chảy trung bình. Giữa các lần định
lượng, không cho vào nước thải. Trong suốt quá trình dòng chảy thấp, bể lọc còn lại "khô"
trong thời gian dài cho đến khi thùng định lượng được làm đầy lại. Thời kỳ khô dài - dài
hơn một giờ - có thể gây ra sự suy giảm hiệu suất quá trình, như làm khô màng sinh học.
Từ những năm 1950, một chuỗi những "công thức" toán học đã được rút ra. Một số là thực
nghiệm, trong khi một số khác thử để phù hợp với kết quả thực nghiệm dựa trên mô hình
10



Sinh Hóa Môi Trường
giả thuyết. Các mô hình thực nghiệm nghiêm ngặt có thể hữu ích khi thiết kế nằm trong
những giới hạn của dữ liệu gốc. Hai công thức thực nghiệm cổ điển là NRC và Galler Gotaas.
Sau thế chiến II, một ủy ban của Hội đồng nghiên cứu quốc gia (NRC) theo thống kê phân
tích dữ liệu hoạt động từ 34 vật liệu lọc bằng đá trên các căn cứ quân sự, nó được tạo ra cơ
bản từ nước thải sinh hoạt. Trích dẫn phương trình 8.7 và 8.8 để đại diện cho cách loại bỏ
hiệu quả phần trăm cho BOD5 dao động với tải thể tích, tái chế, và sự dàn dựng.
[8.7]

[8.8]
Trong đó
= hiệu quả khử BOD5 của bể lọc nhỏ giọt thứ nhất
= hiệu quả khử BOD5 của bể lọc nhỏ giọt thứ hai
= Tải trọng BOD5 của bể lọc nhỏ giọt thứ nhất, kg/d
= Tải trọng BOD5 của bể lọc nhỏ giọt thứ hai, kg/d
V= Thể tích vật liệu lọc, m3
F= 1 + Qr/Q (F có thể khác nhau đối với mỗi bể)
Trong những năm 1960, Galler và Gotaas thực hiện phân tích thống kê với một cơ sở dữ
liệu lớn hơn nhiều (322 quan sát) của dữ liệu thực vật cho bể lọc vật liệu đá xử lý nước thải
sinh hoạt.Cơ sở dữ liệu lớn hơn và nhiều phức tạp hơn - phân tích hồi quy đã cho phép
Galer và Gotaas tính đến các tác động của nhiệt độ, nồng độ BOD, và các bể lọc hình học,
cũng như tải. Công thức Galer-Gotass mô tả nồng độ BOD5 nước thải
[8.9]
Trong đó
[8.10]
Và
= tốc độ dòng chảy tải trọng thủy lực, m3/m2 – d = m/d
=tốc độ tải rác, m/d
11



Sinh Hóa Môi Trường
= nồng độ dòng chảy vào của , mg/l
= nồng độ dòng chảy ra của , mg/l
= chiều sâu của bể lọc, m
= bán kính của bể lọc, m
= Nhiệt độ, oC
Lưu ý rằng xuất hiện trên cả 2 vị trí của phương trình 8.9, vì nó phải được giải thích lặp lại.
Velz, Holland, Eckenfelder, và nhiều người khác đã sử dụng mô hình thứ nhất để cung cấp
phương pháp bán thực nghiệm nghĩa là giải thích và ngoại suy dữ liệu thực vật cho thiết kế.
Tất cả những cách tiếp cận để được xây dựng dựa trên giả định rằng việc loại bỏ BOD là
hàm bậc nhất,
[8.11]
Trong đó z là chiều sâu trong các bể lọc và là tỉ lệ thứ nhất tham số (T -1). Sự khác nhau
trong công thức thứ nhất cho thấy những cách khác nhau để giải thích phụ thuộc vào tải
thủy lực, nhiệt độ, tính chất nước thải, và đặc tính môi trường trung gian. Một hình thức phổ
biến là công thức Eckenfelder, được đưa ra theo đơn vị Anh trong phương trình 8.12 và
chuyển đổi sang đơn vị mét cho một tình huống điển hình trong phương trình 8.13:
[8.12]
= nồng độ vào thực tế, mg

= nồng độ dòng chảy vào của , mg/l
= diện tích hình chiếu bề mặt, ft2
= , gal/phút
= chiều sâu, ft
= Hệ số khả năng xử lí, thông thường 0.088
m = hệ số phân bố chất nhờn, m=0 nếu phân bố đều
n= số mũ vật liệu lọc, thường từ 1/3 đến 2/3
Nếu m = 0, n = 2/3, và = 0.088, công thức Eckenfelder có thể được chuyển đổi sang đơn vị
mét:

12


Sinh Hóa Môi Trường
[8.13]
Những công thức bể lọc nhỏ giọt có thể hữu ích cho việc thiết kế và phân tích, nhưng chúng
cần phải được sử dụng một cách thận trọng. Các công thức đúng thực nghiệm chỉ có giá trị
cho các bể lọc vật liệu đá và nước thải;chúng không nên được sử dụng cho các hạt nhựa
hoặc nước thải công nghiệp. Công thức Eckenfelder có thể là một công cụ tuyệt vời cho các
dữ liệu thực vật phù hợp, đặc biệt là kể từ khi nó có một vài thông số hiệu chuẩn (m, n và ).
Tuy nhiên,nên tránh ngoại suy bên ngoài phạm vi hoạt động thử nghiệm. Cuối cùng, các giá
trị được tính toán có bao gồm vật liệu tổng hợp, nhưng không phân biệt được trong số tất cả
các dạng hữu cơ tạo nên góp phần đến .

4. Đĩa quay sinh học (Rotating Biological Contactors)
Sự phát triển của giá thể nhựa mỏng dẫn đến thay thế tháp sinh học , đó là là đĩa quay
sinh học RBC. RBCs được giới thiệu vào những năm 1960, phổ biến đáng kể trong những
năm 1970 và còn được ưa chuộng trong năm 1980 khi các vấn đề về thiết kế ban đầu trở nên
rõ ràng. Ngày nay, RBCs là phương pháp màng sinh học quan trọng trong các thiết bị xử lý
hiện nay và là một lựa chọn cho thiết kế mới.

Như minh họa trong hình 8.5, một RBC có màng sinh học gắn với môi trường nhựa
trung gian mà xoay vào và ra khỏi một máng nước thải. Việc xoay vòng dẫn tới sự pha trộn
hỗn loạn trong lưu thông và thông khí của hàm lượng chất lỏng trong máng. Quan trọng hơn
nữa là các màng sinh học và lớp nước của nó được tiếp xúc với O 2 khi chúng đang ở trên
mực nước. Phần lớn sự vận chuyển oxy đến các màng sinh học là do sự tiếp xúc của lớp
nước phía trên.
Ví dụ ở hình 8.5 cho thấy, sự uốn lại giá thể nhựa có dạng xoắn ốc. Nhiều định dạng
khác cũng được sử dụng và được sáng chế các đặc tính mà nhà sản xuất đưa ra. Mặc dù
13



Sinh Hóa Môi Trường
những cấu trúc giá thể khác nhau nhưng diện tích bề mặt đặc trưng của giá thể trong phạm
vi từ khoảng 110m-1 (độ dày tiêu chuẩn) tới khoảng 170 m -1 (độ dày cao). Giá thể có độ dày
cao mà có những rãnh nhỏ hơn cho quá trình thâm nhập của chất lỏng và khí, thì dễ bị tắc
nghẽn và chỉ nên sử dụng với tải nạp thấp ( được minh họa bên dưới). Với giá thể nhựa
mỏng tỉ lệ đầy đủ, đường kính của bộ phận là khoảng 3,6m (12ft).
Giá thể được gắn với một trục thép (trục xe ) được chống đỡ bởi trụ và được quay bởi
một ổ đĩa cơ khí trực tiếp trong hầu hết các trường hợp. ( Trong một số trường hợp, các
máng là bọt thông khí, và những bọt này được giữ lại trong “ những cốc” để tạo ra sự luân
chuyển hướng khí). Mô-dun của bộ phận được gắn với trục để cung cấp cho tổng chiều dài
xấp xỉ 8 m (26 ft). Trên thực tế, RBCs thường được bán cho các đơn vị “trục”có trục dài xấp
xỉ 8 m. Trục quay của giá thể có độ dày tiêu chuẩn xấp xỉ 9.300 m 2 (100.000 ft2) diện tích bề
mặt, trong khi trục mật độ cao xấp xỉ 14,000m 2 (150,000 ft2). Thông thường, giá thể độ dày
cao thường chỉ được dùng trong giai đoạn sau của hệ RBCs, khi mà nồng độ BOD được
giảm bớt đủ để những rãnh đang mở nhỏ hơn khi mở ra không bị tắc nghẽn.
Giá thể bị nhấn chìm phần nào trong nước. Tham số của hoạt động chủ chốt là phần
trăm bị nhấn chìm, là tỷ lệ phần trăm của đường kính trung bình ( được đo ở đường tâm ) bị
nhấn chìm. Phần trăm ngập điển hình là 25- 40 %. Sự tăng trưởng phần chìm gia tăng do tốc
độ truyền oxy, bên cạnh đó cũng đòi hỏi năng lượng nhiều hơn để duy trì tốc độ quay. Tốc
độ quay với quy mô đầy đủ thông thường khoảng 2 rpm. Tuy nhiên, tiêu chuẩn sử dụng
π
rộng rãi nhất để thiết lập tốc độ quay là vận tốc đầu, (rpm) Dm trong đó Dm là đường kính
của giá thể. Nguyên tắc thông thường với vận tốc ban đầu là 20 m/phút cho một thiết bị tỉ lệ
đầy đủ. Việc gia tăng vận tốc đầu làm tăng tốc độ truyền tải oxy (sự tương xứng là khoảng
tuyến tính), làm cho nhu cầu năng lượng cũng tăng theo.
Chìa khóa cho sự thành công lâu dài của một hệ thống RBC là bảo vệ nó bằng các yếu
tố phần tử. Hầu hết giá thể RBC có màu đen do thu giữ carbon màu đen với nhựa. Carbon
màu đen hấp thụ ánh sáng mặt trời UV và giúp bảo vệ nhựa khỏi sự suy thoái do UV gây ra.

Hầu hết các trường hợp, mô-đun giá thể được bao bọc trong một vỏ bọc sợi thủy tinh mà nó
che chắn giá đỡ và màng sinh học khỏi ánh nắng mặt trời, bảo vệ cơ cấu thiết bị điều khiển
khỏi thời tiết, làm giảm sự mất nhiệt và đóng băng trong thời tiết lạnh, và giúp kiểm soát
mùi. Dĩ nhiên, các tấm chắn phải được thông gió tốt để cho phép cung cấp oxy, cấu trúc
thiết kế chịu được nạp gió và tuyết và được trang bị cửa ra vào và cổng kiểm tra để bảo trì.
Hệ thống RBC luôn hoạt động trong một chuỗi phương thức với 3-5 giai đoạn. Một bể
lắng kèm theo để giảm thải chất rắn lơ lửng. Bộ bể lắng thông thường được thiết kế với tốc
độ chảy khoảng 16-32 m/d. Trong một số trường hợp, các bể lắng không được cung cấp
chấtt lượng dòng chảy đúng yêu cầu làm hóa chất đông lại trước khi lắng và việc sử dụng

14


Sinh Hóa Môi Trường

µ

màng chắn dạng dây (<30 m lưới) như cách hỗ trợ để lắng đã chứng minh thành công để
loại bỏ các keo tụ rắn nghèo nàn.
Thiết kế RBC có thể dễ dàng dựa vào động lực học màng sinh học, mà mỗi giai đoạn
được giải quyết như một lò phản ứng màng sinh học hoàn toàn hỗn hợp. Phương pháp động
lực học màng sinh học cần được bổ sung với các tiêu chuẩn thiết kế theo kinh nghiệm rút ra
từ kinh nghiệm vận hành. Dựa vào kinh nghiệm và phù hợp với những nguyên tắc màng
sinh học cơ bản, sự truyền nạp bề mặt tổng thể thì nằm trong khoản từ 3 - 15 kg có thể hòa
tan được BOD5/1000m2-d, với phạm vi điển hình từ 5-8 trong cùng đơn vị. Để tránh cạn kiệt
oxy và mùi bốc lên quá mức trong giai đoạn đầu tiên, giới hạn tải giai đoạn đầu của 45kg
tronhg tổng số BOD5/1000m2-d thường được sử dụng như một thiết kế bổ trợ tiêu chuẩn.
Những thiết kế ban đầu thường dùng để nạp chạy bằng nước (Q/A, với A có diện tích bề
mặt trung bình) như một thiết kế tải nạp chủ chốt. Những giá trị điển hình là 0.04 -0.16 m/d.
Nạp chạy bằng sức nước thì không được đưa vào giải thích thông lượng BOD và (chính

xác) đã được bỏ qua.
Những sai sót trong thiết kế ban đầu của RBC dẫn đến sự thất bại thê thảm mà tổn hại
đến uy tín trong việc lựa chọn RBC. Nhưng may mắn là, những thiết kế hiện đại đã khắc
phục được những thiếu sót ban đầu. Những thiếu sót ban đầu bao gồm:
1. Những sai sót ở trục quay và trụ: những thiết kế ban đầu thiếu dộ bền cấu trúc bởi
vì những nhà thiết kế không nhận ra sự chồng chất của màng sinh học làm gia tăng
đáng kể khối lượng lên các giá thể. Vì vậy, trục quay rạn nứt, trụ bị phá vỡ và giá
thể bị xé toạc ra khỏi trục. Những thiêt kế giá thể cấu thành hiện nay được thiêt kế
để thích ứng với khối lượng thêm vào của màng sinh học.
2. Sự tăng trưởng lệch tâm: nếu RBC ngừng quay, các phần chìm vẫn sẽ tiếp tục phát
triển, khi đó những phần tiếp xúc lộ ra sẽ ngừng tăng trưởng, mất nước và bị hông
khô. Sự phân bố trọng lượng lệch tâm đòi hỏi quá nhiều mô-men quay để bắt đầu lại
sự xoay vòng. Thiết bị điều khiển và động cơ có công suất cao hơn được dùng để
khắc phục vấn đề này.
3. Những vi sinh vật gây hại:Vi khuẩn làm giảm sulfate bị thúc đấy bởi nạp quá cao và
thiếu lưu thông khí , gây ra mùi, chất kết tủa nặng (S 0, FeS), tăng trưởng
filamentous và những mối gây hại nghiêm trọng khác. Sự nạp bề mặt tổng thể và
giai đoạn đầu thích hợp, cũng như các tiêu chí vận tốc ban đầu thường ngăn chặn
những sinh vật gây hại.

5. Bộ lọc môi trường hạt (Granular-media filters)
Cuối những năm 1980 và 1990 chứng kiến sự phát triển của tập hợp các bộ lọc môi
trường dạng hạt sử dụng môi trường sét được gọi là Biolite, những hạt sét có kích thước
15


Sinh Hóa Môi Trường
trung bình khoảng 4mm, nhưng lại được tạo hình không đều đặn. Mặc dù một vài cấu hình
quá trình được sử dụng (mô tả bên dưới), những bộ lọc môi trường dạng hạt cùng nhau thực
hiện 2 đặc điểm quan trọng. Đầu tiên, độ sâu đáy vào khoảng 3m và kích cỡ trung bình

4mm cho phép quá trình lọc hạt tốt cũng như tích tụ sinh học. Do vậy, chất thải chất lượng
thứ cấp (< 10mg BOD5/l và 5 mg SS/l) có thể đạt được mà không cần gạn lọc cuối hay lọc
thứ cấp. Thứ hai, sự tích tụ sinh học và các hạt lọc phải được rửa ngược để phòng ngừa sự
mất mát bên trên. Việc rửa ngược hàng ngày là cần thiết khi mà quá trình hoạt động tốt.
Bộ lọc Bilote được biết đến với 3 quá trình được thể hiện bằng sơ đồ ở hình 8.7. Qúa
trình Biocarbone, được biết đến như một màng lọc hơi sinh học(BAF) ở Bắc Mỹ, phát triển
bởi OTV Pháp và sử dụng dòng chảy ngược của không khí và nước thải. Nước thải được xử
lý sơ cấp được đưa xuống dưới. Không khí được phun ở khoảng 2/3 độ sâu. Sự rửa ngược
được đưa lên cùng với không khí. Trọng tải COD bề mặt trung bình là 5-10 kg COD/1,000
m2 - d, năng suất tải thể tích là 5 - 10 kg kg COD/m 3 - d. Mặc dù tải trọng bề mặt cho
Biocarbone chỉ cao hơn một tí so với bộ lọc nhỏ giọt, trọng tải thể tíctiscao hơn khoảng 10
lần bởi vì diện tích bề mặt riêng cao hơn ở môi trường Biolite.

Cấu hình thứ hai được biết đến bởi Dégremont ở Pháp và được gọi là Biofor. Giống
như Biocarbone, Biofor là một bộ lọc ngập đầy đủ với sự phun khí ở dưới đáy. Tải trọng
thể tích và bề mặt cũng gần giống nhau. Biofor khác ở chỗ là nước thải và dòng khí là đồng
lưu. Cấu hình đồng lưu được báo cáo là cung cấp hiệu quả chuyển oxy vượt trội bởi vì oxy
được cung cấp ở nơi có mức độ tập trung COD cao nhất, mang lại ít vấn đề với sự tắc nghẽn
môi trường.

16


Sinh Hóa Môi Trường

Dégremont cũng cho biết Biodrof hoạt động trong dòng chảy dưới và chế độ không
ngập. Một bơm chân không hút không khí thông qua đáy ở hướng đồng lưu. Do
vậy,Biodrof hiệu quả như một màng lọc nhỏ giọt với môi trường Biolite. Biodropf được báo
cáo là gặp vấn đề với sự tắc nghẽn môi trường.


Một dạng mới hơn của lò phản ứng hạt trung bình, cũng phát triển bởi Degremont, là
Biostyr. Biostyr là một dòng hướng lên, lớp xốp của những hạt polystyrene giãn nở, hạt mà
hơi nhẹ hơn nước và nổi. Chúng được giữ lại trong lò phản ứng như một màn hình. Các hạt
Biostyr có kích thước khoảng 3.5mm, và chiều cao của lớp nền khoảng 3m. Nước xoáy
ngược thì được yêu cầu. Tải thủy lực khoảng 10m/h, và lớp nền được thông khí. Bề mặt
COD và tải trọng thể tích tương tự như Biocarbone và Biofor.

17


Sinh Hóa Môi Trường

6. Các lò phản ứng màng sinh học lớp đệm tạo tầng sôi và lớp đệm
tuần hoàn (Fluidized-bed and circulating-bed biofilm reactors)
Lợi ích kích thước của lò phản ứng màng sinh học có thể được tối đa hóa bởi việc tạo
ra các môi trường nhỏ càng tốt làm tăng diện tích bề mặt đặc trưng và tải trọng thể tích cho
dòng cơ chất nhất định. Tuy nhiên, với môi trường có kích thước như hạt cát (chẳng hạn
nhỏ hơn 1mm) sẽ làm tắt nghẽn quá nhanh khi hoạt động trong một chế độ lọc nhanh chóng.

Một cách thức để đạt được các thuận lợi diện tích bề mặt của môi trường nhỏ, trong
khi tránh sự hạn chế tắc nghẽn, là sự giãn nở trung bình, cái làm tăng lên rất nhanh kích
thước lỗ nhỏ chất lỏng. Cùng với sự tăng lên kích thước lỗ là sự tăng lên thể tích của chất
nền và độ rỗng, cái làm giảm sự hoạt động của vùng bề mặt đặc trưng. Rút gọn lại , với là
độ rỗng, là đường kính trung bình, và là hệ số cho sẵn. Do đó, các lớp bị hóa lỏng tối đa
hóa a bởi nó làm cho nhỏ, nhưng trong đa số các trường hợp, ảnh hưởng của vấn đề trước
là chiếm ưu thế, kết quả là sự tăng lên đáng kể của a, nhưng chịu sự chống lại khi tăng a. Ví
dụ, các bộ lọc nhỏ giọt bằng đá có , tháp sinh học nhựa trung bình có , bộ lọc dạng hạt
Biolite có , và một lớp đệm tạo tầng sôi (fluidized bed) của 0.5-mm cát có , tùy thuộc vào độ
giãn nở của lớp nền và hình dạng của hạt. Sự tăng lên của khu vực bề mặt riêng biệt là điều
hiển nhiên.

Sự giãn nở của các lớp đệm ở những môi trường nhỏ có thể đạt được với 2 cấu hình
quá trình chính: các lò phản ứng của lớp đệm tạo tầng sôi và lớp đệm tuần hoàn. Sự khác
nhau giữa hai phương pháp đó là mật độ của các phân tử mang màng sinh học.
Các lớp đệm tạo tầng sôi làm việc khi mật độ của các hạt mang lớn hơn so với nước.
Các hạt mang có thể sắp xếp từ hạt cát hoặc là các hạt thủy tinh, cái nặng hơn nhiều so với
nước (với trọng lượng riêng từ 2.5 đến 2.65), đến than hoặc các phân tử carbon hoạt tính cái
mà chỉ hơi nhẹ hơn nước (với trọng lượng riêng từ 1.1 đến 1.3). Khi ma sát từ vân tốc của
dòng nước chảy hướng lên đầu tiên bằng với lực đẩy âm của các hạt mang, lớp đệm được
giãn ra. Đó được gọi là sự hóa lỏng mới bắt đầu. Vận tốc chất lỏng ngày càng tăng gây ra
lớp đệm giãn nở nhiều hơn, mặc dù ma sát mất đi trên các chất mang vẫn như cũ. Trạng thái
sau này đã được dùng trong chương 4 để phát triển sự cắt giảm căng thẳng mối quan hệ
18


Sinh Hóa Môi Trường
(theo công thức 4.34) cho các phân tử bị hóa lỏng; nó được lặp lại tại đây như công thức
8.14 để cho thuận tiện:
[8.14]
Rõ ràng, các hạt nặng hơn yêu cầu một lớn hơn và a lớn hơn vận tốc nước để tạo ra
lực đẩy tạo ra vận tốc. Như lớp nền giãn nở và tăng lên, vận tốc dòng hướng lên trung gian
hoặc thực tế () của nước tiếp cận vận tốc dòng chảy mặt, Q/
[8.15]
Với là vận tốc dòng chảy trung gian của chất lỏng [], Q là tổng tỉ lệ thể tích dòng
chảy [, là diện tích mặt cắt ngang của lò phản ứng [L 2], và bằng chất lỏng chứa được hoặc
là thể tích chất lỏng được chia ra bởi tổng thể tích ở trong lớp đệm tạo tầng sôi. Khi tăng
lên, Q/Acs phải gia tăng độ tương xứng để duy trì cần thiết cho sự hóa lỏng hạt. Mối quan hệ
giữa và Q/Acs nói chung được đưa ra bởi sự tương phản của Richardson và Zaki (1954):
[(Q/Acs)/]1/n

[8.16]


Với là vận tốc chất lắng xuống cuối cùng cho các hạt mang và n là chỉ số giãn nở,
cái mà nhận một giá trị xấp xỉ 4.5 cho các hệ thống 2 pha. Vận tốc chất mang cuối cùng có
thể được tính từ Stokes Law,
[8.17]
Với CD là hệ số kéo được tính lặp đi lặp lại từ
[8.18]
Và
[8.19]
Và là độ nhớt của nước [ML-1T-1]. Cho thông tin sâu hơn về động lực hóa lỏng nói chung,
người đọc nên tham khảo Fair, Geyer, và Okun (1971), Darton (1985), hoặc Yu và Rirmann
(1997).
Ở hệ thống 2 pha, chất lỏng giữ lại thì dễ tính toán từ chiều cao của đệm,
[8.20]
Với là chất lỏng được giữ lại của nền không được giãn nở, H un là chiều cao của nền không
được giãn nở, và H là chiều cao của lớp nền được giãn nở (hay còn gọi là hóa lỏng). Khi sự
phân bố giãn nở lớp đệm (FBE) được thể hiện bởi:
[8.21]
19


Sinh Hóa Môi Trường
Chất lỏng được giữ thể hiện bởi:
[8.22]
Dạng phổ biến nhất của lò phản ứng màng sinh học chất đệm tạo tầng sôi là hệ thống
2 pha, cái được thể hiện dạng sơ đồ của hình 8.8a. Một dây chuyền tái chế nước thải phục
vụ hai mục đích chủ yếu, Đầu tiên nó kiểm soát vận tốc dòng chảy hướng lên (Q/A cs) để duy
trì đúng nhiệt độ của sự hóa lỏng lớp đệm độc lập của tốc độ dòng chảy tới, cái có thể thay
đổi hoặc quá thấp để cho phép tạo tầng sôi. Thứ hai, Oxygen được chuyển đến hệ thống
thông qua sự xây dựng hệ thống cấp oxygen (oxygenator) vào trong dây chuyền tái chế.

Những hệ thống thiết bị cung cấp oxy này (oxygenator systems) thường là những thiết bị
được cấp bằng sáng chế.
Một hình thức thay thế của sự xử lý màng sinh học lớp đệm tạo tầng sôi là hệ thống 3
pha, cái mà được minh họa bằng sơ đồ ở hình 8.8b. Trong khi hệ thống 3 pha thường duy trì
tái chế nước thải để kiểm soát sự giãn nở của lớp đệm, Oxygen được cung cấp bởi sự rảy
khí trực tiếp vào lớp đệm tạo tầng sôi. Sự rảy khí làm thay đổi ít nhất 3 khía cạnh của sự
hoạt động của lớp đệm tạo tầng sôi. Đầu tiên, sự hiện diện của pha khí làm giảm chất lỏng
được giữ (), và gia tăng vận tốc kẽ của nước. Thứ hai, những ảnh hưởng của sự biến đổi pha
khí, cách mà các chất mang rắn được giãn nở trong phản ứng với dòng nước chảy lên. Mặc
dù, phản ứng phức tạp, nhưng thông thường sự thoáng khí của lớp đệm gây ra giảm FBE
cho tương tự Q/Acs. Chang và Rittmann (1994) và Yu và Rittmann (1997) thảo luận những
yếu tố tương tác. Thứ ba, dòng năng lượng truyền vào từ sự thoáng khí làm gia tăng sự bất
ổn của lớp đệm, có thể dẫn đến sự gia tăng quan trọng đến tốc độ tách rời màng sinh học.
Từ khi các hệ thống dị dưỡng hiếu khí có sản lượng sinh khối cao và tiềm năng phát triển
(ví dụ, S*min là rất thấp), tốc độ tách rời thêm vào không ảnh hưởng về mặt loại bỏ BOD và
sự ổn định quá trình mặc dù dòng chất rắn lơ lửng có thể gia tăng.
Các lớp đệm tạo tầng sôi làm cho thể tích giảm, bởi vì diện tích bề mặt riêng của
chúng cao, thời gian lưu giữ chất lỏng có thể thấp tầm vài phút. Kích thước có lợi của các
lớp đệm tạo tầng sôi thông thường bị giới hạn bởi khả năng nhường oxygen cho nước và
màng sinh học. Vì vậy, các tải bề mặt cho các lớp đệm tạo tầng sôi có thể hơi thấp hơn so
với các hệ thống màng sinh học khác. Như một hệ quả, các thể tích tải không được tăng lên
trong tỷ lệ thuận để mà gia tăng diện tích bề mặt riêng. Tuy nhiên, thời gian lưu giữ chất
lỏng ngắn của các đệm tạo tầng sôi có thuận lợi riêng cho sự xử lý hiếu khí của nồng độ
thấp của các tạp chất, để nhu cầu oxy là tương đối thấp.
Một vấn đề tác động nảy sinh trong vài tình huống là sự xếp tầng của lớp đệm,
thường nảy sinh khi các chất mang không giống nhau về kích thước. Các hạt nhỏ hơn tích tụ
gần đỉnh và cũng trải qua mức tách rời màng sinh học thấp hơn. Qua thời gian, những hạt
nhỏ hơn tích tụ ở màng sinh học nhiều hơn là các hạt lớn, làm chúng ít mật độ, điều này làm
gia tăng nhiệt độ khi hóa lỏng. Vấn đề là sự mở rộng được tiếp tục của các lớp đệm được
20



Sinh Hóa Môi Trường
phân tầng cuối cùng dẫn đến sự hút vào của các chất mang ở dòng thải và dòng chảy phục
hồi. Dùng chất tương đồng ngăn chặn hiệu quả nhất sự xếp tầng của đệm. Các giải pháp
kiểm soát khác bao gồm thiết kế phần hình nón trên đỉnh của lò phản ứng để cho các phân
tử ánh sáng lắng xuống, thay thế một thiết bị cắt cơ khí như là máy trộn cánh quạt, để tách
màng sinh học thừa từ các hạt nhỏ, hoặc rút các chất mang từ đỉnh của đệm để làm sạch.
Khi chất đó tương đồng, các hạt mang thay vì lưu hành trong suốt chiều cao của lớp
đệm, sự pha trộn với chất này có thể cung cấp một lợi thế hiệu suất khi dòng chất nền ở trên
hoặc gần khu vực tải thấp và tỉ suất tái chế dòng thải không lớn. Sự di chuyển của chất cho
phép phân tử mỗi màng sinh học dành một khoảng thời gian tới gần lối vào cột - nơi nồng
độ chất nền tương đối cao và sự tăng trưởng màng sinh học xảy ra - và một khoảng thời gian
tới gần lối ra cột - nơi nồng độ chất nền rất thấp, nhưng màng sinh học tích tụ có thể tiếp tục
loại bỏ chất nền. Sự di chuyển của các phân tử màng sinh học không liên kết ưu thế của chất
nền và sự tích tụ màng sinh học tại bất kỳ vị trí cụ thể nào. Như vậy, màng sinh học phát
triển tốt tại nồng độ trên S min gần lối ra (Rittmann, 1982). Bằng cách này, một quá trình
màng sinh học ở trạng thái ổn định có thể chịu được nồng độ dòng thải về cơ bản dưới S min,
miễn là có sự pha trộn giữa các chất, trong khi nồng độ chất nền thay đổi qua lò phản ứng.
Sự phân phối dòng chảy là một trong những tính năng kỹ thuật quan trọng nhất của
lớp đệm tạo tầng sôi quy mô đầy đủ. Sự phân phối dòng chảy yếu kém làm cho mạch ngắn
và sự giãn nở lớp đệm không đồng đều. Kim phun, mũi cắt, các hệ thống cống ngầm thông
thường là những thiết bị được sáng chế sử dụng để cung cấp sự phân phối cho đơn vị có
kích thước kỹ thuật.
Để tăng sự nhường oxy và để giảm quá trình khuôn khổ, các lớp đệm tạo tầng sôi với
quy mô đầy đủ thông thường là các cột cao, lên tới 10m. Kéo theo sự thực hiện của việc sử
dụng các cột cao như vậy thì không nghiên cứu đầy đủ. Ảnh hưởng của tỉ lệ chiều cao mặt
cắt ngang lớn là tỉ lệ phục hồi dòng thải có thể thấp và vẫn có vận tốc dòng chảy đủ cao cho
sự giãn nở của lớp đệm. Tỉ số phục hồi thấp hơn và khoảng cách cột lớn hơn hoạt động cùng
với nhau để tạo ra độ dốc chất nền lớn hơn dọc theo chiều dài cột.

Một sự thay thế cho các lớp đệm tạo tầng sôi là lò phản ứng màng sinh học đệm tuần
hoàn. Hình 8.9 minh họa 2 loại của lò phản ứng đệm tuần hoàn: lò phản ứng nâng không khí
và lò phản ứng bơm pha trộn. Các lò phản ứng vận chuyển được chia nhỏ ra thành dòng trên
và dòng dưới. Phần dòng chảy trên nhận sự thoáng khí, nó cho ra mật độ hiệu quả thấp hơn
và bơm không khí lên đến sự lưu chuyển của chất lỏng. Trong lò phản ứng nâng không khí,
các hạt mang ánh sáng được mang theo cùng với dòng nước lưu chuyển, tạo ra sự phân phối
màng sinh học pha trộn tốt và lượng nước pha trộn hoàn toàn. Nó có thể tương tự nhau để
tạo ra một mẫu lưu chuyển chất lỏng sáng chế bởi việc sử dụng tái chế bên ngoài để tạo ra
máy bơm bơm bên trong lò phản ứng.
21


Sinh Hóa Môi Trường
Ở các lớp đệm tuần hoàn, các chất mang nhỏ hơn 5mm và có mật độ gần với nước,
mặc dù tỉ trọng riêng của chúng có thể hơi lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1. Ở một vài trường hợp,
các chất mang có thể rỗ xốp với vi khuẩn được gắn chặt bên trong cũng như bên ngoài các
lỗ rỗng đó. Các chất rắn được giữ lại lên tới 40 phần trăm, tương tự như lớp đệm tạo tầng
sôi có FBE từ 50 đến 100 phần trăm.

7. Sinh hóa pha trộn / Quá trình tăng trưởng gián đoạn (Hybrid
biofilm / Suspended-growth processes)
Quá trình tăng trưởng bùn hoạt tính có thể nâng cao về khả năng và độ tin cậy thông qua
việc tạo ra các màng trung gian bằng tạo sinh hóa lai/ hệ thống tăng trưởng gián đoạn. Hiện
tại quá trình bùn hoạt tính có thể nâng cấp bằng cách tăng diện tích bề mặt sinh hóa trên
trong khu vực sục khí. Sinh hóa tĩnh bao gồm bộ lọc nhựa, dải băng hoặc dải ren tạo nên
cấu trúc bên trong của các bình sục khí bằng việc cố định kết cấu sâu trong hỗn hợp rượu.
Vật mang sinh hóa động thì được trộn lẫn hoặc kết hợp với hỗn hợp rượu. Chúng bao gồm
22



Sinh Hóa Môi Trường
lớp bọt biển, lưới nhựa hình trụ hoặc hình khối, bột cenlulo xốp, bột glycol polyethylen. Sau
cùng được nhúng với vi khuẩn, mặc dù nó không thật sự cần thiết để dạt được hiệu quả sinh
hóa động. Vật mang sinh hóa động sẽ sớm phân rã trong dung dịch pha trộn và hợp lại trong
bình sục khí. Bộ lọc và dây nêm trong đường thoát bồn sục khí là hiệu dụng. Khi vật mang
động được dùng, hệ thống sẽ được gọi là moving-bed biofilm reactor.
Dù là vật mang sinh hóa động hay tĩnh được sử dụng, mục tiêu là tăng tổng khối lượng của
vi khuẩn hoạt động trong hệ thống và để tăng SRT. Dạng lơ lửng và vi khuẩn sinh hóa khá
khác nhau về STQs. Thông thường, sinh hóa SRT là dài hơn, với đặc trưng quan trọng là sự
tích tụ của loài chậm phát triển, như vi khuẩn nitrat hóa
Quá trình tổ hợp khác là quá trình sinh học hoạt tính (ABF) hoàn thiện những năm 1970 bởi
Neptune- Microfloc. Lò sinh học bao gồm thanh gỗ đỏ ngang. Áp dụng “tia” nước nhỏ từng
giọt xuống thanh trong môi trường không ngập và dòng khí mang trong không khí. Dung
dịch được ứng dụng phù hợp với kết cấu bao gồm tái chế sinh khối lơ lửng từ dòng nước
ngầm bề lắng. Giữa lò sinh học và bề lắng là bể lọc sinh hóa than hoạt tính với MLVSS duy
trì trong khoảng 2500mg/l. Trong thực tế thường được vận hành với tải trong j BOD trong
lò sinh hóa khoảng 9kg BOD5/m3-d, tương đương 14kg BODL/1000 m2-d. Mặc dù lượng
tải mặt có quan hệ mật thiết với lò sinh hóa, bể lọc sinh hóa tiếp theo từng được sử dụng để
đảm bảo đủ để loại bỏ BOD và vi khuẩn nitrat hóa nếu có yêu cầu. Kích thước của lò sinh
hóa được điều chỉnh để đạt đảm bảo yêu cầu xử lý. Khi không có sự nitra hóa, thời gian giữ
nước của lò sinh hóa từ 1 đến 2 giờ là điển hình, trong khi sự nitra hóa cần đến 3 đến 6 giờ

Quá trình tổ hợp cuối cùng là quá trình PACT chúng viết tắt của từ Powdered Activated
Carbon Treatment. Phát triển ban đầu bởi Zimpro phải đi kèm với quá trình oxy hóa ẩm
không khí bởi carbon hoạt tính, PACT được sử dụng phổ biến trong xử lý sinh học trong xử
lý nước thải công nghiệp,thường chứa các hóa chất hữu cơ ảnh hưởng đến vi khuẩn. Than
hoạt tính dạng bột (PAC) được thêm vào hiệu quả của quá trình với liều lượng từ 10 đến
150 mg/l. Tất nhiên, PAC tích tụ trong các thành phần hữu cơ, quá trình ức chế với hệ số
nồng độ ��/� . Mục đích cơ bản của PAC là thành phần hữu ức chế hấp thụ. Theo kinh
23



Sinh Hóa Môi Trường
nghiệm chỉ ra rằng PAC cải thiện sự keo tụ bùn và xử lý và hấp thụ chậm thành phần phân
hủy sinh học, như là BAP, bổ sung vào nước thải BOD, COD, màu sắc và độc tính đối với
vi sinh vật. Nhưng nhược điểm của PACT là chi phí cao của PAC.

24