Chương 13

XỬ LÍ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC TRONG
ĐIỀU KIỆN NHÂN TẠO VỚI QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

13.1. C ơ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH
Xử lí sinh học nước thải thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật
để thực hiện các dạng phân huỷ khác nhau. Sự phân huỷ chất hữu cơ thường kèm theo sự
thoát khí dưới tác dụng của các enzim do vi khuẩn tiết ra.
Nhiệm vụ của công trình kĩ thuật xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học là tạo
điều kiện sống và hoạt động tốt nhất cho các vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ
được nhanh chóng.
13.1.1.

Vai trò của enziin, năng lượng và chất dinh dưỡng đối với quá trình biến

đổi, tăng trưởng của ví sinh
Quá trình biến đổi của vi sinh bao gồm các phản ứng hoá học bên trong tế bào, có 2
phản ứng cơ bản trong quá trình biến đổi là phản ứng dị hoá và phản ứng đồng hoá.
- Phản ứng dị hoá bẻ gẫy các mạch, phân chia các phân tử hữu cơ phức tạp thành các
phân tử đơn giản hơn và kèm theo quá trình là sự giải phóng năng lượng.
- Phản ứng đồng hoá là hình thành các phân tử phức tạp hơn và đòi hỏi cấp năng
lưọng. Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hoá thường lấy từ năng lượng được giải
phóng ra của các phản ứng dị hoá.
Vai trò của enzim:
Enzim là chất xúc tác hữu cơ do các tế bào sống sinh ra là các protein hoặc các
protein kết họfp với các phân tử vô cơ hoặc hữu cơ có trọng lượng thấp. Như một chất
xúc tác, enzim có khả năng làm tăng tốọ độ phản ứng hoá học lên gấp nhiều lần nhưng
bản chất không bị thay đổi.
Có 2 loại enzim: Ngoại tế bào và nội tế bào. Enzim ngoại bào là chất do tế bào tiết ra.
Khi tế bào cần chất nền hay chất dinh dưỡng mà các chất này không thể tự thấm qua vỏ

tế bào được thì enzim sẽ chuyển hoá các chất này thành dạng hợp chất có thể dễ dàng di
chuyển vào trong tế bào. Enzim nội bào là chất xúc tác cho các phản ứng đồng hoá bên
trong tế bào. Enzim được biết như là một tác nhân phân loại và chuyển hoá chất nền đến
sản phẩm cuối cùng với hiệu suất rất cao. Tế bào có thể sản xuất ra các enzim khấc nhau
ứng với mỗi loại chất nền khác nhau để sử dụng chúng, và có thể minh hoạ bằng phản
ứng sau:

176


E
E nzim

+

s

->

Chất nền

(E)(S)
Tổ liọp eiizini

p

-

Sán phấm cuối c ù n g


E
Enziin

và ciiất ncii

Hoạt động của ciizim cliịii anh hường ríứ nhiều bời trị sỏ' pH, nhiệt độ và nồng độ
chất nền. Mỗi eiưiin có trị số pH và iiliiệi dộ tối ưu riêng
Vưi trò của ìiăn^ hrợiiiỊ:

Cùng với enzim, nâng lirợiig cần tliict cho các phán ứng sinh hoá cỉia tế bào. Năng
Iượiig cấp clio tế bào là năng lượng được giái phóng ra từ các phán ứng ôxy hoá các chất
hữu cơ và vỏ cơ (các phản ứng dị hoá) hoặc do các phản ứiiíĩ quang hợp. Năng lượng này
được thu nhận và tích trữ trong tế bào bằng các hợp chất hữu cơ nhất định và đươc dùng
để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào inới. Khi chât hữu cơ trong nước thải ít
dần thì khối lượiig tế bào cũng sẽ bị giảm dần do các châl đã được té bào dùng không
được thay thế kịp thời bằng chất mới. Nêu tình trạng nù^ kéo dài liên tục thì tế bào
không còn khả năng sinh sán mà chí có khả n'>ng đỏng hoá các chất hữu cơ đã hấp thụ
được đê cuối cùng còn lại các tế bàn Ti những chất hữu cơ tương đối ổn định. Quá trình
tự íỊÌám sinh khối này coi Ti giai đoạn hô hấp nội bào.
Vai f’ c : ,ia clìât (linh ilii'ỠNí>:

Vi sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ để sống và hoạt đông \ à đòi hỏi một lượng chất
dinh dưỡng đế phát triển, như các ngiivên tố N, s, p, K, Mg, Ca, CI, Fe, Mn, Mo, Ni, Co,
Zn, C li,... trong đó N, p và K là các Iiguvên tố cliỉi yếu, cần dược b ả o dám một krợiig cần

Ihiết trong xử lí sinh hoá.
Khi thiếu nitơ lâu dài, ngoài việc cán trơ C|uá trình sinli hoá các chất bẩn hữu cơ, còn

tạo ra bùn hoạt tính khó lăng.
Khi thiếu photpho dẫn đôìi sự phát tricn vi kliiiấn dạnq sựi, là nguyên nhân chính làm

cho bìm hoạt tính bị "phồng lên", klió láng và bị cuốn theo (lòng chảy ra khỏi hệ thống
xử lí, làm giám sinh trưởng cúa bùn hoạt tính và giàin cường độ của quá trình ôxy hoá.
Hàm lượng các nguyên tô' dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần cỉia nước thải và tí lệ
giữa chúng được xác định bằng thực nghiệm. Tỉ lệ này thường trong khoáng
BOD : N : p = 100 : 5 ; 1. Ngoài ra cần một lượng nhỏ các Iiịỉuyén tố khoáng như canxi,
magiè, sắt, đồng, kẽm, niaimaii, Các cliất này thường có đủ trong nước thải sinh hoạt.
Khi xử lí nước thái cỏim nchiệp bằng vi sinh nhiều trường hợp phái bổ sung N và p và
khử trước các kim loại nặng gày độc liại đến nồng độ cho phép,
13.1.2. Sự sinh trưởng của vi khuẩn
Vi sinh vật có thế phát tricii thcin nhiều nhờ sinh sán phâii đôi, sinh sản giới tính và nảy
mầm, nhimg chủ yếu cluìim phái triển bằng cácli phàn đôi, lliừi gian cần để phân đôi tế bào
thưòlig gọi là thòi oian sinh sán có thê dao động từ dưới 20 phúl đốn hàng ngày. Ví dụ: Nếu
thời gian sinli Siin là 30 phút thì một vi khuẩn có thể sinh ra 16 ~ ' l l 2 1 6 vi k hu ẩn sau thời

177


gian 12 giờ. Vi khuẩn không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi vì quá trình sinh sản
phụ thuộc vào môi trường. Khi thức ăn cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài trị số
tối ưu, thì việc sinh sản sẽ ngừng lại.
Sự sinh trưởng của vi khuẩn diễn ra theo các giai đoạn sau:
- Giai đoạn tiềm tàng hay thích nghi; Trong giai đoạn này tế bào tổng hợp các enziin
cần thiết cho sự chuyển hoá của chất nền (chất bẩn hữu cơ), tốc độ sinh trưỏng bằng 0 .
- Giai đoạn sinh trưcmg theo số mũ: x ả y ra khi tỉ lệ tái tạo tế bào đạt tới mức tối đa.
Trong giai đoạn này, tốc độ sinh trưcmg tãng tỉ lệ thuận với mật độ tế bào.
- Giai đoạn chậm dần: Do chất nền bị cạn kiệt hoăc do sự tích tụ các sản phẩm ức chế
sinh ra trong quá trình chuyển hoá vi khuẩn, mặc dù mật độ tế bào tăng nhưng tốc độ
sinh trưởng giảm dần.
- Giai đoạn ổn định: Khi mật độ tế bào đạt tới trị số cực đại thì sự sinh trưởng sẽ dừng
lại kể cả trong trường hợp các tế bào vẫn còn một vài hoạt động chuyển hoá nào đó.

- Giai đoạn suy giảm (giai đoạn nội sinh); Mật độ các tế bào giảm xuống v'i các tế
bào bị chết do các enzim tự tiêu huỷ.
1. Sự tăng trưởng sinh khối
Hình 13.1 giới thiệu tổng quát quá trình tăng trưởng của vi sinh vật theo khối lượng.

Hình 13.1: ĐườinỊ coníỊ hiểu diễn các iỊÌcii doạn lăinỊ siiilì khối tyoìiv, me'Iiiiôi cấy vi klìiuỉn
1. Giai đoạn tiềm tàng (hay giai đoạn tăng trưởng chậm) là giai đóạn vi khuẩn cần
thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng.
2. Giai đoạn tăng sinh khối theo số mũ luôn có dư thừa thức ăn xung quanh vi khuẩn
và lốc độ trao đổi chất và tăng trưcmg của vi khuẩn chỉ phụ thuộc vào khả nãng xứ lí chất
nền của vi khuẩn.
3. Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: Tốc độ tăng sinh khối giảm đi bởi vì sự cạn kiệt
dần các chất dinh dưỡng bao quanh.
178


4.
Giai đoạn hố hấp nội bào' Vi Hiuẩn buộ'" phái thực hiện quá trình trao đối chất
bằng chính các chất dinh dưỡiig cấp cho tê bào đã bị cạn kièt. Trong giai đoạn này xảy
ra hiện tượng giảm dần sinh khối, klii đó các chất dinh dưỡng, c òr. lại trong các tê bào đã
chết khuếch tán ra ngoài đế cáp cho các tố bào còn sống.
2. Sự tăng trưởng trong mói trường hỗn hợp
Phần lớn các quá trình xử lí sinh hoá trong môi trường hỏn hợp gồm nhiều chủng loại
vi sinh tác động lên môi trường và có tác động tương hỗ vớinhau. Mỗi loại vikhuẩn có
đường cong sinh trưởng và tăng trưởng riêng. Vị trí và dạng của đường cong tăngtrưcmg
theo thời gian của mỗi loại trong liệ phụ thuộc vào thức ăn va c hất dinh dưỡng có sẵn và
vào các đặc tính của môi trường như pH, nhiệt độ, điều kiện kị khí hay hiếu khí,... Có
nhiểu loại vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình ổn định các chất hữu cơ có
trong nước thải.
13.1.3. Đặc tính của chất nền và sự loại bó chất nền

Chất nền gồm toàn thể các vật phấm chứa trong nước mà vi khuẩn có thể sử dụng
chúng để phát ti iển,
Các nguyên tố của chât nến có thê phân loại như sau:
- Các nguyên tố chiếm đa số: c , H, 0, N;
- Các nguyên tố chiếm thiếu sổ; p, K, s và Mg;
- Các vitamin và các hóc môn;
Các pgiivên tố vết hoặc các nguyên tô vi lượng Cu, Fe. Ni. ..
Nhìn chung các nguyên tó cua chẫt nén đều có đủ trong hau hết mọi loại nước thải.
Thường thì phốt pho và nitơ có thc cần bổ sung thêm. Đò một nguồn nước thải có thể xử
'í
lí sinh học được nó phải
phái có các đặc
dặc tíiih thích
tlìíc hợp như độ pH, Iihiệt độ và không có các
sản phẩm độc hại hoặc các sản plìấm ức chế.
Sự ô nhiễm chính trong nước ihải cần phải loại trừ là ỏ nhiểiĩi cacbon hữu cơ mà giá
trị đặc trưng là BOD - nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hoá. Ò nhiễm cacbon hữu cơ là
nguồn tạo ra chất cơ bản cỉia khối vi sinh (C<;H7N 0 t).
Các nguồn nitơ sử dụng cho các vi sinh bao gồm toàn bó r itơ hữu cơ và vô cơ. Nitơ
được chuyển hoá chủ yếu để tao ra các protein, các axit nucleic, các polyme của tế bào
('chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của khối vi sinh nguvên chất). Trong xử lí nước
thái, giá trị này thường chiếm khoảng dưới 10%). Trone nước thải người ta phân biệt
nitơ ờ dạng khử (nitơ hữu cơ, nitơ amoniac N-NH 4) và dạng ỏxy hoá (N-NO 2, N-NO 3).
Ô nhiễm phốt phát chiếm tỉ lệ 1,5 H- 2 % trọng lượng khô của sinh khối, có ở trong
nước thải dưới dạng orthophotphat, polyphotphat, hoặc photpho hữu cơ. Phốt phát được
hoà trộn chủ yếu trong các axít nuclcic các phôtpholipit, các poK'me của màng vi khuẩn.
Trong một số trường hợp đặc biệt, chúng tập trung trong lế bào, dưới dạng polymêta
phốt phát (sự khử phòì phát sinh hoc...)179



Khi xử lí nước thái, chất nền (chất nhiễm bán hữu cơ) được giám xuống. Ban đầu
chúng có phản ứng cấp 0. Sau đó khi nồng độ chất nền giảm thấp dưới một giá trị nào đó
thì xuất hiện sự thay đối cấp phán ứng và tốc độ giảm chất nền dừng lại. Điều đó có
nghĩa là ở giai đoạn cuối xử lí nước thải, chất nền còn lại thường khó bị loại bỏ. Giai
đoạn đầu xảy ra với hiện tượng hấp thụ sinh học và kết bông phức tạp của các chất keo,
tiếp theo đó các vi sinh sử dụng chất hữu cơ đế sinh trưởng và hoạt động làm cho chất
nền biến mất dần.
13.1.4. Vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí
Loại vi khuẩn ưa hoạt động trong môi trưcnig có ôxy ta gọi là vi khuẩn hiếu khí và
loại vi khuấn hoạt động trong môi trường không có ôxy ta gọi là vị khuấn kị khí.
Nếu có ôxy tham gia vào phán ứng thì sán phẩm tliu được là lượng các bon hữu cơ
dưới dạng COt và khối vi sinh. Nếu phản ứng xảy ra khi thiếu ôxy không khí thì sản
phẩm thu được là lượng các bon hữu cơ dưới dạng CO-,, khí CH 4 và khối vi sinh.
Nhìn chung, ti lệ sinh sán của các phôi hiếu khí cao hơn các phôi kị khí và quá trình
suy giảm các chất có chứa các bon xảy ra nhanh hon. Tuy nhiên, ở quá trình kị khí, bùn
Scin sinh ra ít hơn.

Có 2 giải pháp xỉr lí với vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng và với vi khuấn ở trạng thái giá
thê cố định.
• Giải pháp với vi khuẩn ở trạng thái lơ lửiig (tự do): ơ đây các vi khuấn được phái
triến một cách phân tán dưới dạng kết bông ngay trong lòng chất lỏng cần xỉr lí như giai
pháp hiếu khí bùn hoạt tính, lọc sinh học trong điều kiện tự nhiên hoạc giải pháp kị khí
như lọc tiếp xúc ở nền bùn.
• Giải pháp với vi khuẩn ở tning thái giá thế cố định: Sử dụng các vi khiián có khá
năng sinh sản ra exopolymeres cho phép cố định chúng vào các vật giá thê khác nhau đẻ
lạo ra một màng sinh học. Cũng giống như vi khiiắn ở trạng thái tự do, vi khuẩn ở trạng
thái cố định có thế được dùng cho xử lí hiếu khí và xử lí kị khí.
Có một số yếu tố như nồng độ (khối vi sinh, chất nền, ôxy), sự xáu trộn, nhiệt độ và
thời gian liru thiiỷ... có thê có những tác động đến động hor piian ứng và thậm chí làm
cho một số vi kluiân phát triến trội hơn các vi khiuin kliiic.

Trong các giải pháp với vi khiiấn đã nêu ơ trên đều có một lượng vi sinh được sinh
sán quá mức cần được thu gom, xtV li và sử dụng.
13.1.5. Động hoo của quá trìn h xử lí hiếu khí
Đê đảm líảu cho quá trình xử lí sinh học dicn ra có hiệu quá thì phải tạo dựợc các
điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian... lốt nhất cho hệ vi
sinh. Khi các điều kiện trên được đám bảo thì quá trình xừ lí diễn ra như sau;
Tốc độ tăng trưởng tế bào ở cả hai trường họp nuôi cấy theo từng mẻ hay nuôi cấy
trong các bể có dòng chảy liên tục có thế biếu diẻn bằng công thức:
80


r, = ^ , x

(13.1)

Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg của vi sinh, g/m\.s;
ỊJ.| - Tốc độ tăng trưỏlig riêng, 1/s;
X - Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m^ = mg/1).
Công thức (13.1) có thể viết dưới dạng:
r, = ^ = ^ x
dt

(13.2)

1. Chất nền - giới hạn của tăng trưởng
Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự
tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt trước
khi quá trình sinh trưỏng ngừng lại.
ở trưòíng hợp nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục (chất nền và chất dinh dưỡng
cấp liên tục) thì ảnh hưcmg của việc giảm bớt chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu

diễn bằng phương trình do Monod đề xuất:
(13.3)
Trong đó: |J.| - Tốc độ tăng trường riêng, //s;
-Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại, //s;
s - Nồng độchất nền trong nước thải ở thời điếmsự tăng trưởng bịhạn chế;
Kj - Hằng số báii bão hoà, thể hiệnảnh hưởng của

nồng dộ chất nền ở thời

điểm tốc độ tăng trưởiig bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m^ mg/ 1).
Ánh hưởng của nồng độ chất nền đến tốc độ tăng trưởng riêng thể hiện trên hình 13.2.
Thay giá trị |I ở phương trình (13.3) vào phương trình (13.1) ta có:
(13.4)
K, + s

Trong đó:

- Tốc độ tăng trưởng cực đại của vi sinh.

2. S ự tăng trưởng tế bào vờ sử dụng chất nền
Nếu như tấl cả dinh dưỡng được chuyển hoá thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh
dưỡng sẽ bằng tốc độ sinh sản sinh khối. Nhưng vì trong cả hai trưòng hợp nuôi cấy theo
mẻ và nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục, một phần chất nền chuyển thành các tế
bào mới, một phần được ôxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ốn định cho nên tốc độ sử
dụng dinh dưỡng sẽ lớn hơn tốc độ tăng trưởng sinh khối. Và do đó có thể thiết lập quan
hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng cliất nền được sử dụng theo phương trình sau:
181


(13.5)


r, = - Y r j

Trong đó: r, - Tốc độ tăng trưcmg của tế bào vi sinh, g/m \s;
Y - Hệ số năng suất sử dụng chất nển cực đại, mg/mg (là tỉ số giữa khối
lượng tế bào và khối lượng chất nển được tiêu thụtrongmột thời íỊÌan
nhất định ở giai đoạn tăng trưỏíng logarit);
- Tốc độ sử dụng chất nền, g/m^.s.
Từ phương trình (13.5) và (13.4) ta rút ra:
KXS
'd =

-Y íK ^ + S )

K ,+ s

(13,6)
Y

Hình 13.2: Anh hưàini của sự lìịiii cliếiiồníỊ (lộ cliấí nên dến tốc (ìộ tủnv. Irưởiii!, riữnịi
3. Á n h hưởng của hô hấp nội báo
Trong các công trình xử lí nước thải, không phái tất cả các tế bào vi sinh đều có tiiối
lớn như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng logarit mà có một số đang ở giai đoạn
chết và giai đoạn sinh trưởng chậm. Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của tế bào phái tính
toán tổ hợp các hiện tượng này. Để tính toán, giả thiết rằng: sự giam khối lượnc các tế
bào do chết và tăng trưởng chậm tí lệ với nồng độ vi sinh có trong nước tliải và gọi là sự
giảm khối lượiig do phân huỷ nội bào. Quá trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn bằng
phản ứng đơn giản sau:
C 5H 7O 2N + 5 O 2


82

133

160

1

1,42

Vi khuẩn
^ 5 C O , + 2 H tO + N H 3 + Ncìng lượng
tế bào

(13.7)


Từ phương trình (13.7) có thè’ tliấy: Nếu tất cá các tế bào bị cxv hoá hoàn toàn thì
lượng COD của các tế bào bằng 1,42 nồnc độ của tế bào.
i;i (do phân huỷ nội bào) = - K^ịX
Trong đó;

(13.8)

- Hệ sô' phân liLiỷ nội bào (phán rã nội sinh)
X - Nồng độ tế bào (nổim độ bùn hoạt tính), g/ni .

Kết hợp với quá trìnhphân huý nồi bào, tốc độ tãng trường *hưc tế của tế bào:

(K ,+ S )

hay;

-K,x

= -Y .;,-K ,X

(13.9)

(13.9’)

Trong đó: r' - Tốc độ tàng trướnu thưc tế của tế bào vi khuán. //s.
Tốc độ tăng trưởrm riênq thưc tê !à:

^------- K ,

^' (K, +S)

(13.10)

Hệ s ố nảng SLUÍI sử dụiig chất nen (hệ số đồng hoá) thực tế là:

Y,

r'

Y

=

(13.11)


4. Ả n h hưỏiig của nhiệt độ
Nhiệt độ nước thái có ánh Iniưng râì lớn tới tốc độ cúa phàn ứng sinh hoá trong quá
trìnlì xử lí nước thái. Nliiệt dò khònu chi áiih hưởiig đến hoat dòng chuyển hoá của vi
sinh vẠl mà còn có tác dộim lớn đèn cỊiiá trình hâp thụ klií ỏxy vcK) nirớc thải và quá trình
láiig các bỏiig cặii cliứa cá c VI siiili v;ìl ó l)ể lálìg đọl II. Ảnlì hưíĩiìg c ủ a nhiệt đ ộ đốn tốc

dộ phán ứng sinh hoá trong quá irình xử lí nirớc ihái biếu diéii bởi c ò n g thức:
r, = r,„()"'

(13.12)

Trong đó: f j - Tốc độ tăng trưởng ở nhiòt T ’C;
ĩo,) - Tốc độ tăng tnrờng ở 20''C';
0 - Hệ số hoạt độnc do Iihiệt độ, thường dao động u.r Ị ,02 -r 1,09 (trung bình
lấy 1,04);
T - Nhiệt độ nước đo bằiic ‘’c.

5. Ả n h hưởng của kim loại nặng
Sự phân huỷ đòi liỏi các đicLi kiện mòi trường khá nghiẽiii Iieặt, Nhiệt độ và độ pH là
những yếu tố đóng vai Irò quan trọim. Tuy nhiên, trong mòi Irưừng úó cũng không được
chứa những chất độc hại hoặc những chất ức chế các hoạt độníỉ c ủa \ i sinh.

183


Các kim loại nặng như đồng, crôm, niken, kẽm, thuỷ ngân, chì và các anion như
xianua, Aorua, asenat và bicromat tồn tại trong quá trình phân huỷ sẽ gây phản ứng hoặc
là giữ nguyên một số enzim, hoặc là phá huỷ bản chất làm biến đổi tính chất thấm của tế
bào vi sinh... Vi khuẩn có sự nhạy cảm khác nhau đối với các chất độc hại này. Chúng

có thể kết bông dưới dạng hợp chất hữu cơ - kim loại không tan mà không làm rối loạn
sự sinh trưởng của vi khuẩn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng lượng kim loại có trong môi
trường không được vượt quá mức cho phép. Khi vượt quá mức cho phép thì chính bản
thân một số chất chuyển hoá trở thành chất ức chế các hoạt động vi sinh.
ố. N h u cầu ôxy và việc cung cấp ôxy
Để ôxy hoá các chất hữu cơ, các vi sinh vật cần có ôxy và nó chỉ có thể sử dụng ôxy
hoà tan. Để cung cấp ôxy, người ta tiến hành làm thoáng khuếch tán không khí thành
các bọt nhỏ phân phối đều trong khối nước thải.
Vì ôxy ít hoà tan trong nước nên có thể bỏ qua trở lực khuếch tán của pha khí và tốc
độ hấp thụ ôxy do trở lực của pha lỏng quyết định. Sơ đồ của sự chuyển dịch ôxy từ bọt
khí tới tế bào các vi sinh vật được minh hoạ trên hình 13.3.
Chiều dày của lớp khuếch tán ỗ, khi chất lỏng vòng bao quanh vật Ihể có kích thước
là L phụ thuộc vào hệ số khuếch tán D, độ nhớt
chất lỏng

khối lượng riêng p,, và vận tốc của

theo phương trình sau:
\

1/6

iỉiL
^ Pn

V.

(13.13)

Hình 13.3: Sơ đồ (li chuyển ô.\y tới vi sinìì vật

1. Lớp khuếch tán biên ở phía pha khí; 2. Bề mặt phân pha; 3. Lớp khuếch liín biên ờ phía pha lóng;
4, Quá Irình chuyên ôxy lừ bóng khí tới vi sinh vật; 5. Lớp khuếch tán biên ờ pha lòng bao quanh vi sinh vậl;
6. Quá trình chuyển ôxy vào trong tế bào; 7. Vùng phản ứng giữa phân tứ ôxy với các men (enzim).

Vì các vi sinh vật có kích thước rất nhỏ và chúng chuyển động trong các hệ thống xử
lí với vận tốc bằng vận tốc của nước thải nên chiều dày lớp khuếch tán của chất lỏng ờ
thành các tế bào nhỏ hơn rất nhiều so với xung quanh bọt khí, vì vậy trở lực của nó
không đáng kể đối với sự di chuyển của ôxy. Mặt khác, cũng cần thấy là bề mặt riêng
của các vi sinh vật lớn hofn nhiều so vói bề mặt riêng của các bọt khí. Do đó có thể nói

184


quá trình di chuyển ôxy từ các bọt khí t(JÌ các vi sinh vật được hạn định chủ yếu bởi trở
lực khuếch tán của chất lỏng xung quanh bóng khí.
Đối với các khí hoà tan kém, hệ số chuyến khối được láy bằng hệ số cấp khối (K l = Pl)Do bề mặt tiếp xúc pha giữa không khí và nước thải trong các hệ thống xử lí là không
xác định được, vì vậy trong tính toán người ta sử dụng hé sô' cấp khối thể tích Py.
Lượng ôxy được hấp thụ có thể tính theo phương trình cấp khối sau:
M = P ,.V (C * -C )

(13.14)

Trong đó; M - Lượng ôxy được hấp thụ, kg/s;
py- Hệ số cấp khối thê tích, 1/s;
V - Thể tích nước thải trong hệ thống xử lí, in^

c*, c - Nồng độ càn bằng và nồng đô ôxy ờ trong khối chất lỏng, k g /m \
Biểu thức trên cho thấy, có thể tãng lượng òxy được hấp thụ bằng cách tăng
hoặc
tăng động lực của quá trình. Việc thay đổi động lực của quá trình có thể thực hiện bằng

tăng hàm lượngôxy trong không khí, giảm nồng độ làm \'iệc hoặc tăng áp suất của quá
trình hấp thụ. Song tất cả các giải pháp trên đều không kinh tế hoặc không làm tăng
cường độ của quá trình một cách đáng kể. Cách tốt nhất tãng lượng ôxy hoà tan trong
nước thải là tăng hệ số cấp khối thể tích [3y, vì:

Pv = P ia

(13.15)

Trong đó; a = 6 ^boi
ở đây:

cpị,

- Hàm lượng khí trong dòng nước thải;

d^,„, - Đường kính của bọt khí.
Rõ ràng bằng cách tăng hàm lưííng của bọt khí trong dòng thải vàgiảm đường kính
của bọt khí có thê tăng bề mật tiếp xúc pha một cách đáng kê.

7. Công thức biến đổi tốc độ sử dụng chất nén
Trong mô tả động học của quá trình xử lí nước thải bằng sinh học hiếu khí rút ra đuợc
công thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất nền bằng khối lượng chất nền giảm đi của đơn
vị thể tích bể trong một đơn vị thời gian (g/m^s).

(13.16)
Y (K, + S)
đặt:
•

Y

r, =

(K, + S)

(13.16')

Từ công thức (13-16') ta có:

p=

=
X

(13.17)
( K ,+ S )

185


Vởi; p la lôc do sir ỏ u n n chai nên linh ĩren ÌIÌOI dưn vị khối lượng (g) bùn hoạt tính,
tr o n g n iô i

ỏơu VI ih ò i m a n

13,1.6. Ọ u a trinh sinh hoc Iron^ đièu kiên ki khí
Q iiá Irình sinli ỈIOC Iroim cliôLi k iẹ n ki khi là q u á trình p h â n h u ỷ c á c c h ấ t h ữu c ơ , v ô c ơ

troíig lurck' ih;n nhờ các vi klniàn ki khí Iroiìg điéu kiện không có òxy. Th ông thường
phương pliap \ ư lí Iiàv dươc áp dưnu dc lên nien, ổn dịnh căn và xử lí nước thái cô ng
Iighiêp có nồnn đỏ BOD, C O D cao. Gán dày niiười la c ũnc còn sử dụn g phổ biến phươiìg
pháp này clc xử lí nước ihái sinh lìoạl lìoăc hổn hơp Iiước thài sinh hoạt và côim nghiệp
có nóng ciô HOD cao. Khi nòng đõ BOD ironu nước ihài cao hơn 3()() mg/1 nên áp d ụn g
q u y irình hai bàc: B âc 1 \ ử lí kị khí. bàc 2 x ử lí h ièii khí,
Q

uá

irìiili chuven lioá châì hữu c a tihờ VI sinh ki khí \ a y ra ihco ba bước:

- T rư ớc Iiẽii

nhỏm VI s in h lư Iihicn c o iro n u n ư ơ c ihai th u v phan c á c c h ấ t hữu c ơ p h ứ c

(ap và lipil t hàn h c á c c h ài hữu CO' ỏơn mai ì C() ( r o ng lirơng r i é n e n h ọ n h ư m o n o s a c a r i t ,

amino axil dế lai) nuLiổn ihức ân và náne iLRrng clm VI sinh hoai dỏng.
-

SiUi d ỏ n h ó m vi khiKin

UK>

ineii ax ií ( n h ó m a x il l o c n i ơ ) h ic n d ổ i c á c chrủ hữu c ơ đ ơ '1

m á n l l i à n h c á c a \ i l h ữ u Cí)‘, e i a i c i o a i i i i à y i i o i là Icii IIÌCII i ỉ xi i

- C u ố i cìin u lìhoiiì vi khiKUì lao ỉiicn m cU m (iìIk')iiì lììc ia n í o c m i c ) c h u y ế n h o ấ h y d r o

và c á c ax il

ổiĩơi. la o tliànli o’ e ia i cK)aii Uu> in ciì ax il llìàỉih k hí rnctan và c a c b o n i c . V a i irò

q u a n t r o n g c ư a n h o m vi k h u â n I i ì c l an ỉ o c n n c ỉa IICII i hu h y d r o v à a x i l a x e t i c , c h ú n g t ã n g

trương rất châm \'à Lịuá Irìiih đirov ihirc lìiCĩi khi khí iiìClan và cachonic thoát ra.
Đ ế c h o q uá trình siĩih h o c ki k h í d icii b iê n cluov b ìn h t h ư ờ n g c ầ n đ a n i b ả o c ấ c đ iể u
k iẽ n sau dây:
+ T r o n g nưíVc ihái k lì o n g c o o x \ h o à UUK
+ H à m lưtrne c u a c á c k im loai n a n u k h ố n g viiiri n iứ c q u y đ ịn h ;

(ìiá U‘Ị Ị')l 1 cua IIU'0'C lliiii ÙI' 6.7 ~ 7,4:
+ D u y irì clỏ kiôiìi k lio a n g 1()()() ” 1 5 0 0 ing/1 là m d u n tí clỊcli đ ộ n i đ ể n g ă n c ả n p H
g i a m xLiòim dirỚ! 6 , 2 .

+ Nhiệt đỏ cưa nước ihai (ừ 27

38 ‘’c.

+ C ó du chàt dinh duỡiiíi llìco n lệ COD: N: p là 350: 5: 1.
I.V2. X ’

l.í I IIE

1 ỈI \ ' Ớ I ( Ì I AI

P H Á P VI K H U Ẩ N ở

T R Ạ N G TIIÁI L ơ LỦNG

T R ( ) N ( i BỂ AI Í ROT I Í N

13.2.1. ( ác mòi qu an hê co bán đế khứ cacbon hữu co
/. i\h u cáu o x \ yà lưong bùn sinh ra
I H)IÌU dicii kiộn có ỏ \ y klìôim khí, các VI khuán hiếu klií tiêu thụ cấc chất hữu cơ:
M o l niãt d o n hu c a u n ã n g l ư ơ n g d ế tổ n tại, s i n h trirởiig (p h à n c h i a

(U C.ÌC chàt sông) và ho háp Iiỏi bào (òxv hoá nỏi bào);
I Sò

tế b à o , t ổ n g h ợ p


- Mặt khác, tạo mò( lưonu Ci) Ilic soiisj \ a chài lio tlư

íbùii (.lư)^

Lấy ví dụ về sự phãn hii\' ulưco I.IÌL 'láu, nho SII lio Ir i' cua niu> có ihèdòne

hoá

gk icô thành protein tố bào (Q H ^ N O i) Tièp ihco, piolcni !ià v Ịihâii liiái nó: bào dế CLinu

cấp năng lượng sống. Có Ihê viẽi 2 ph;in ứii'j này ihco ciaiiL s ) (lố như sau:
Tổng hợp;
6Q ,H ,.06 + 4NfH, + 160.

4C,H-NO- - I6CO. + 2SH.O

Hô hấp hoặc ôxy hoá nội bào:
4 Q H 7N O 2 + 2ƠOn ^

20C O . + 4 M i* + 8 H .O

Hai phản ứng này luón luôn tồn tại. Phản ứng thứ liai khoiii: bao iziờ hoàn chinh vì 110

tươiig ứng với thời gian lưu bùn, vì thc chiều phan ưiii: dicn cluivêìi satm bên phái tuỳ
theo phương thức sứciụim. Phán ứim càne dịch c h u \ẽ n sai'.>i pliai thì lưưní> bìm thừa sinh

ra càng nhỏ nhưng lượng òxy tiêu thụ lại càng nhiéu
Trong ví dụ trên, hiện iượns ôxy hoá hoàn toàn 6 phan tư gluc ò cán phái cỏ 36 phan
tử ôxy. 36 phân tử ôxy này tưons điraig với BOD cúa 6 pliãn lử ulucô. Trong 36 phãii tử
òxy có 16 phân tỉr dùng cho sự tổng hựp và 20 phân iư dùim c ho hô hấp nôi bào.

Hệ số sử dụng ôxy cho quá trình tổng hợp:
a„ = I 6 O 2/ 36 O 0 = 0.4?
Hệ số sử dụng ôxy cho quá liình hò hấp hoặc phan hu\ noi hào:
a,„ = 2 0 0 y 3 6 0 . = 0,3?
Hộ số năng suất tế bào:
a , „ „

= 4QH7NOy36(); = 0 ..^í^

Như vậy để tiêu hiiỷ Ig BOD người la phai tổng hưp 0,39g '.'ật châì sống.
Lượng ô x y cần thiết cho Iihu cầu lổng liợp vi khuấii: a,, X B O P v

Lương ôxy cần thiết cho nhu cầu hô hâp nội bào: Troiiu quá trình xứ lí nước thải
khône phải toàn bộ vi khuẩn được lốii” hơp đều bi o \\ h(KÌ Iiói bào đế trở tliành CO^ và
H tO, m à chỉ một phần nào dó inà ihỏi (phần

cua 4C'41-NOij. Th eo các phán ímg đã

ví du ở trên ỉhì chỉ có b„ của 2 0 0 t cán thiếi cho sư oxv hoá các vậi chất sôim, Ĩighĩa là
chi có một lượng b ', :
b'

-

- x2( ) Q

4 C ,H 7 N 0 .

(13. 18)

Nh u cầu ò xy cho liò hấp nội bào có thế biếu diển tliroi tlaiie:
b', X Khối lượno vật chất sônỉi.

187


Nhu cầu ôxy toàn bộ sẽ là:
X BOD 5 + b'„ X Khối lượng vật chất sống.
Có 2 yếu tố gây ra lượng bùn sinh học dư (bùn dư);
- Lượng vi khuẩn sản sinh ở các phản ứng tổng hợp;
- Lượng vi khuẩn bị mất đi ở các phản ứng hô hấp nội bào.
Lượng vi khuẩn sinh ra ở các phản ứng tổng hợp được biểu thị bởi

X BOD bị thải ra.

Lượng vi khuẩn mất đi ở phản ứng hô hấp nội bào: b X lượng MV, (MV là chất bay hơi).
Tổng cộng lượng bùn sinh ra:

X BO D 5 - b X Lượng M V.

Lượng bùn sinh ra này được tính bằng kg chất huyền phù/ngày.
Khi xử lí sinh học nước thải đô thị với công suất không lớn, để đánh giá nhanh có thế
sử dụng các đại lượng thích hợp sau đây:
a;, = 0 ,5 kgƠ 2/kgB O D ,,
b ; = 0 ,lkg 0 2 /ngày cho 1kg MV,
a ,^

= 0,6kgO2/kgBOD5,

b = 0,05kg0i/ngày cho Ikg MV.
2.
Các thông sô' hoạt động của quá trình xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn ở
trạng thái lơ lửng
Trong xử lí nước thải, bể phản ứng sinh hoá được đặc tiưng bởi 3 thông số cơ bán: Tải
trọng trên bùn theo khối lượng và thể tích, khả năng lắng của bùn và độ tuổi của bùn.
• Tải trọng theo khối lượng và thể tích:
Tải trọng trên bùn theo khối lượng là tỉ số giữa khối lượng chất nhiễm bẩn (lấy iương
đương bằng BOD) và khối lượng bùn trong đơn vị thời gian (ngày đêm):
(.3.19)
Trong đó: Q - Liru lượng trong 1 ngày, mVngày;
Sq - Nồng độ của chất nền, mg/1;
X, - Nồng độ các chất lơ lửng trong bùn, mg/1;
V - Thể tích bể,
Khái niệm tải trọng theo khối lượng rất quan trọng, thường áp dụng để xác định bùn
hoạt tính:

+ Khả năng lắng: Tải trọng khối lượng nhỏ sẽ tương ứng với năng suất lắng cao và
ngược lại tải trọng khối lượng cao tương ứng với năng suất lắng thấp.
188


+ Bùn dư; Với tải trọng khối lượng nliỏ, do sự hạn chế cua chất nền, sự hô hấp nội
bào sẽ nhiều hơn so với tải lượng l('ín. Kết quả là sản sinh ra bi.in sinh học ít hơn.
+ Độ ổn định của bùn: Sự hô hấp nội bào mạnh làm cho các vi khuẩn được khoáng
hoá tốt. Các giải pháp với tải trọng khối lượng nhỏ sẽ cho bùn dư kém khả năng lên men.
+ Nhu cầu ôxy: Khi tải trọng khối lượng nhỏ, sự hô hấp nội bào mạnh đòi hỏi lượng
ôxy tiêu thụ cao hơn so với lượng ôxy tiêu thụ khi tải lượng lớn.
Một khái niệm khác là tải trọng trên bùn theo thể tích là khối lượng chất nhiễm bẩn
hữu cơ (thường tính theo BOD) tính trên một đơn vị thế tích công trình trong khoảng
thời gian xác định (thường là 1 ngày đêm):
Cy = Q.SJV., kg BOD/kg chất huyền phù/ngày đêm

(13.20)

•
Độ tuổi của bùn: Là ti số giữa khối lượng bùn có trong bế và khối lượng của bùn lấy
ra khỏi bể trong ngày:
0,. = --------- -------------------^‘n.B 0D 3,^.hu-bX vV

(13.21)

Trong đó: Xy - nồng độ chất hữu cơ (bay hơi) trong bùn, mg/1;

C' =— c
Ay
Nếu gọi E ià hiệu suất khử BOD5:

g

_

BOD3

|,Ị

Q,s,

^ B Q D .S b| khứ

"~x,vc„

Sau khi giản ước ta có:
0 = ----------------a ,,E .C ;„ - b

(13.22)

Như vậy độ tuổi tỉ lệ nghịch với tải trọng khối lượng. Khái niệm về độ tuổi của bùn
cho ta thấy trạng thái sinh lí của các vi khuẩn, xác dịnh sự tòn tại hay không tồn tại các
phai có khả năng nitrat hoá.
• Khả năng lắng của bùn
ở giai đoạn tãng trướng cấp sò mũ, vi khuấn bị biến mất trong môi trường nuôi cấy.
Vào thời điểm chuyên sang giai đoạn chậm dần, chúng kết lại thành bông có naàu nâu
nhạt, có thể dài đến vàimilimct. Chúng có dạng phân nhánh như cái găngtay, các vi
khuẩn xuất hiện thành từng nhóiTi dạng keo bông tồn tại ở giai đoạn chuyến
hoá nội
sinh. Các vi khuẩn tự do không có liên kết với bông, tuỳ theo độ tuổi của bùn mà trị số
tối thiểu đạt được trong khoáng từ 4 H- 9 ngày. Ngoài 9 ngày trở ra, mặc dù khả năng

lắng nói chung vẫn còn tốt, nhưne bắl đầu có sự rã bông do sự giám kích cỡ bòng và do
các phấn tử nhỏ thoát ra khỏi bỏng đã tăng lên (bông có đầu hình kim). Ngược lại dưới 4

89


ngày, các bông có tính hút nước mạnh sẽ lắng kém và lượiig vi sinh tự do tăng lẽn
nhanh chóng.
Kết bông vi sinh là một hiện tượng phức tạp được điểu khiển bời trạng thái sinh lí của
các tế bào, là một đặc tính của nhiều vi sinh, có liên quan đến sự bài xuất polyme mà
trong đó các polysacarit đóng vai trò đặc biệt.
Để đánh giá tính lắng đọng của bùn người ta căn cứ vào chỉ số MONLMAN hay chỉ
sô' bùn - là chỉ tiêu đánh giá khả nãng lắng của bùn hoạt tính trong bể lắng đợt II và là
chỉ tiêu phản ánh đặc tính và chất lượng của bùn.
Chỉ số thể tích bùn là thể tích do 1 gam bùn khô choán chỗ tính bằng ml sau khi để
dung dịch bùn lắng tĩnh 30 phút trong ống lắng hình trụ khắc độ dung tích lOOml. Để
xác định chỉ số thể tích của bùn, lấy 1 lít dung dịch bùn tại cửa ra của bể aeroten để lắng
30 phút trong ống lắng thuỷ tinh hình trụ có khắc độ. Quan sát và đánh dấu mặt phân
chia giữa bùn và nước để tính ra thể tích bùn choán chỗ bằng ml. Đồng thời cũng lấy
luôn mẫu xác định nồng độ bùn tính theo mg/1. Sau đó xác định chỉ số thể tích bùn theo
công thức sau;

SVI =

Thể tích bùn đã lắng sau 30 phút (ml/1). 1000
^------------- — — ----------------------------------------------------- í------ 7 ,ml
Nông độ bùn lơ lửng trong dung dịch (mg/1)

Thông thưòmg chỉ số thể tích bùn dao động từ 50 H- 150. Bùn có chỉ số thể tích càng
nhỏ, lắng càng nhanh và càng đặc.

Chỉ số mật độ của bùn SDI là số nghịch đảo của chỉ số thể tích;
Nồng độ bùn lơ lửng, (%)
SDỈ = -- -------------------- ---------- --------- — ------------------- —
Thể tích bùn choán chỗ sau 30 phút lắng, (%)

X 1000

(13.23')

Chỉ sô' SDI thường dao động từ 1 ^2 ,5 .
• Sục khí:
Để cung cấp ôxy người ta thưòfng tiến hành sục khí sâu trong lòng nước để tạo ra các
bọt khí. Kích thước các bọt khí rất quan trọng. Trong thực tế người ta tạo các bọt khí từ
hệ thống sục khí qua vật xốp có đường kính lỗ khoảng Imm. Các bọt khí nhỏ hơn chỉ có
thể đạt được bằng cách giãn nở nước đã bão hoà không khí dưới áp suất lớn (phương
pháp tuyển nổi).
3. Sự ổn định hiếu khí:
Sự ổn định hiếu khí là phương pháp dùng để giảm lượng chất hữii cơ của bùn, còn
được gọi là "sự tiêu hoá ưa khí". Bằng cách sục khí lâu trong bùn, các vi sinh ưa khí hoạt
động từ giai đoạn tổng hợp tế bào cho đến khi chúng thực hiện quá trình tự ôxy hoá
(xem hình 13.4).

190


Ban đầu chất hữu cơ (nhờ có ôxy và nilơ) đươc đóng hoá thành tế bào vi sinh
(C<ìH7N 0 t). Ví dụ về sự phiìn huỷ gliicò:
6 C ,H |.0 6 + 4NH^ + 160. -> 4C,H,N0ọ + 16CO 2 + 28HọO

vật chất

H ì n h 1 3 .4 : N ịịuyén li i ÍKi s ự un (ỉịnlì liiếh k-’ìi

Sau đó, chất tế bào (biểu thị bới Q H 7N0 t) được biến dổi theo phương trình;
CsH.NO. + 5 0 . -> SCO. + NH, + 2 H :0
Tiếp theo amoniac có Ihế bị ỏxy hoá, do vậy có thế viết (Iưoc phương trình tổng quát;

C5H7NO, + 7 0 . -> 5COọ + N(J, + H' +
Sự ổn định hiếu khí thường được áp dung nhiều cho bùn hoạt tính. Tuy nhiên cũng có
thê được áp dụng cho cặn ờ bé láng sơ cấp hốặc cho màng sinh học do các chất phản ứng
và các vi sinh ớ trạng Ihái giá thế cố định lạo ra. Tí lệ giam chiíl hữu cơ biến động lớn,
phụ thuộc vào thời gian ốn định và nhiệt độ cỉia quá trình (xem hình 13.5).
Ọuá trình ổn định hiếu khí ihường kéo dài: với bùn hoạt tính 7 -r 10 ngày; với hỗn
hợp cặn và bùn 10 ^ 12 ngày. Lượng khí cần cấp tính bình quân 150 ^ 240m^/m^ bùn
hoạt tính và 240

430 n r/m hỗn họp cặn.

Đ ê đánh giá đ ộ ổn định cỉia cặn, người ta dìiiig các tiêu chuắn:

- Mức độ hổ hấp của bùn: 0,1 kg 02 /kg chất hữu cơ trong ngay ở nhiệt độ 20"c.
- Độ giảm trọng lượng: Dưới 107r sau 12()h SIIC khí ờ 20 ’c (trong trường hợp lượng
òxy bằng 2 nig/ 1).

191


E%

1I11

60
50
40
30

20
10

✓ỉ
2

5

10

20

50

100,t

a>

à)

Hình 13.5: Sự biến đổi của tỉ lệ gidm chất hữu cơE% khi ổn định hiến khi
a) Thời i>ian ổn cíịiĩli, ngày; hj Nhiệt độ (°C) xtlìời íỊÌan ổn định (nnày)
Cũng có thể đánh giá bằng lượng axit bay hơi được tạo thành và lượng nitơ đã
amoniac hoá tính trên 1 g chất hữu cơ được giữ ở trạng thái kị khí.

Ổn định hiếu khí có thể thực hiện ở 2 chế độ: chế độ ấm (tới SO^C) và chế độ nóng
(trên 50°C). ở chế độ nóng, nếu nồng độ chất hữu cơ > 30% (tính theo chất không tro)
thì quá trình có thể "tự nhiệt' - nghĩa là năng lượng do các phản ứng sinh hoá tạo ra đủ
để hâm nóng cặn.
13.2.2. Sơ đồ của quá trình bùn hoạt tính
Khi làm thoáng hỗn hợp nước thải với bùn hoạt tính, thì quá trình xử lí nước thải
được thực hiện và số lượng bùn hoạt tính tăng lên do mức tăng sinh khối. Nếu quá trình
đó tiếp tục một thời gian đủ lâu, thì sau khi đạt được giá trị tối đa nào đó, khối lượng
bùn trong hê thống giảm dần.
Hình 13.6 giới thiệu các hiện tượng đồng hành trong quá trình bùn hoạt tính nước thải.
Trong phần lớn các trường hợp thì tính chất và nồng độ chất nhiễm bẩn nước thải ở bể
xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng (bể aeroten) tưcmg ứng vói đoạn
BC của đường cong thay đổi nồng độ bùn. Tải trọng trên bùn trong trường hợp này là
150 -ỉ- 400mg BOD trên Ig chất không tro trong ngày. BOD -,0 lúc ban đầu không lớn,
bằng tung độ KH. Để thực hiện quá trình bùn hoạt tính đòi hỏi một thời gian t|. còn kết
quả xử lí đạt mức tăng bùn là AS|.
Phần lớn chất nhiễm bẩn được ôxy hoá ngay ở thời gian đầu khi thực hiện làm
thoáng, thể hiện ở chỗ hàm lượng BOD cao lúc ban đầu, sau đó giảm nhanh tới nhu cầu
ở giai đoạn "hô hấp nội bào". Người ta gọi quá trình này là làm thoáng cổ điển hoặc lànn
thoáng thông thưòng.

192


Khi nồng độ các chất nhiễm bẩn nước thải cao (với BODio lúc ban đầu

> 500mg/l)

thì quá trình được biểu diễn bởi đoạn AC. Thời gian xử lí tăng lén tới t 2; còn mức tăng
của bùn trong hệ thống là ASt; tải trọng trên bùn vào khoảng 400 -ỉ- lOOOmg BOD 20 trên

Ig chất không tro trong ngày.
Phụ thuộc vào nồng độ và thời gian lưu bùn trong hệ thống làm thoáng mà BOD sẽ
giảm tới một giới hạn xác định, sau đó thì không giảm nữa. Dưới giới hạn đó, tốc độ ôxy
hoá phụ thuộc vào hàm lượng chất bẩn còn lại. Nhu cầu ôxy trên đoạn EF, hoặc là
không đổi theo thời gian, hoặc là tăng lên không đáng kể. Dưới điểm F, tốc độ tiêu thụ
ôxy nhanh chóng giảm xuống và đạt mức hô hấp nội bào.

Hình 13.6: Qiuin hệ íỊÌữa m ứ c

tă n g h ù n và đ ộ

ỵicìm B O D 2Q

Nếu thời gian làm thoáng bình thường được kéo dài tới 13, thì nồng độ bùn ở cuối quá
trình xác định bởi điểm D, nghĩa là hầu như bằng nồng độ lúc ban đầu. Nói cách khác là
toàn bộ lượng bùn được tạo thành trong thời gian t 3 đã kịp khoáng hoá. Quá trình này
gọi là ôxy hoá hoàn toàn ở bể aeroten hoặc làm thoáng kéo dài v.v... Gần đây phưcíng
pháp xử lí này được áp dụng rộng rãi. Đối với những trạm công suất nhỏ, nếu bỏ bể lắng
đợt I thì bùn sẽ được ôxy hoá đầy đủ ở bể aeroten và cũng sẽ bỏ qua được công trình xử
lí cặn (ngoại trừ các công trình làm khô cặn).
Trên thực tế không thể thực hiện quá tiình khoáng hoá hoàn toàn được, nghĩa là
không thể đạt AS = 0. Bùn hoạt tính có thể ôxy hoá đạt 35 -ỉ- 70% (tính theo khối lượng),
phần còn lại gồm: các chất ôxy hoá sinh hoá và các vi sinh có sức ỳ. Phần này đọng lại

193


trong các công trình và được lấy ra sau đó. Đối với bể aeroten làm thoáng kéo dài, tải
trọng trên bùn ờ mức 100 H- 150 lĩig BOD 2o/lg chất không tro trong ngày.
Quá trình ôxv hoá hoàn loàn có thể xảy ra ở 2 giai đoạn:

1. Với thcfi gian tị - xử lí nuớc chải tới mức yêu cầu;
2. Với thòi gian Í3 - xử lí bùn hoạt tinh dư AS| (sau khi nén), tổng thời gian t| + t 3 = Í4
là kết quả xử lí chung, tương tự như sơ đó ôxy hoá hoàn toàn nhưng giảm được thể tích
công trình vì trong t 3 chỉ ôxy hoá đối với bùn hoạt tính. Nồng độ bùn ở đây cao hơn 3 ^5
lần nồng độ bùn ở bể aeroten.
13.2.3. Phán loại bể xử lí hiếu khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái iơ lửng
(bể aeroten)
* Phân loại theo nguyên tắc làm việc
- Bể aeroten thông thường; thời gian làm thoáng t| (hình 13.6), áp dụng để xử lí sinh
hoá nước thải với công suất lớn.
- Bể aeroten ôxy hoá hoàn toàn còn được gọi là bể aeroten kéo dài thời gian làm
thoáng t4 = t| + t 3 (hình 13.6). Trong đó t 3 chính là thời gian ổn định hiếu khí bùn cặn.
- Bể aeroten sức chứa cao, áp dụng để xử lí nước thải có nồng độ nhiễm bẩn cao
BOD^o > 500mg/l. Tải trọng trên bùn vào khoảng 400 -ỉ- 1000 mg/g bùn khô không tro
trong ngày. Thời gian làm thoáng tưofng ứng t2* Phán theo sơ đồ công nghệ: có aeroten một bậc và aeroten nhiều bậc.
* Phân theo cấu trúc dòng chảy: Căn cứ vào phương pháp đưa nước và bùn hoại tính
vào và ra khỏi bể: Bể aeroten - đẩy, bể aeroten - trộn và bể aeroten kết hợp.
*Phân biệt theo phươỉig pháp làm thoáng: aeroten làm thoáng bằng máy bơm khí
nén; aeroten làm thoáng bằng máy khuấy cơ học; và aeroten kết hợp. Ngoài ra, cũng cần
kể đến loại aeroten làm thoáng áp lực thấp, tức là không dùng bơm khí nén mà dùng
quạt gió.
13.2.4. Sơ đồ xử lí nước thải với bể aeroten
Sơ đổ 1: Xử lí hoàn toàn ở bể aeroten một bậc không có ngàn tái sinh bùn hoạt tính,
ưu điểm là thiết bị kĩ thuật và quản lí đơn giản, được áp dụng rộng rãi.

Bể lắng II

aeroten

Bùn hoạt tính tuần hoàn

Bùn dư
1

Hinh 13.7

194


Sơ đổ 2: Xử lí hoàn toàn ờ bê’ aeroten một bậc có ngãn tái sinh bùn hoạt tính.

Sơ đồ 3: Xử lí nước thải ờ bể aeroten - đẩy 2 bậc không có ngăn tái sinh bùn hoạt
tính. Bậc 2 dùng để xử lí thêm.

Hình 13.9
Sơ đồ 4: Xử lí nước thải ờ bè aeroten 2 bậc có ngăn tái sinh hùn hoạt tính. Ngăn tái
sinh ỏ đây đóng vai trò đảm bảo thêm cho tính an toàn cùa hệ thống.
BùnTiõãtlính tuẫn hoẳn lừ bẻ Ĩắng ĩl

1

2

3

I

________________________

4

.---- ♦
1

Bùn hoạt tính dư

Bùn hoạt tính dư
: Xả sự cố

Hinh 13.10:
1. Bể aeroten bậc I; 2. Bê lắng 2 bậc I; 3. Bể aeroten bâc 2;
4. Bể lắng 2 bậc 11; 5. Ngãn tái sinh bùn hoạt tính bậc I; 6. Ngăn tái sinh bùn hoạt tính bậc II.

195


Sơ đồ 5: Xử lí hoàn toàn ở bể aeroten tải trọng cao không có ngãn tái sinh. Sơ đồ này
tưong tự như sơ đồ 1.
Nước đã qua bể lắng đợt 1 hoặc chỉ qua song chắn rác, trộn đều với 10

20% bùn

tuần hoàn, cho vào bể aeroten đã làm thoáng trong khoảng thời gian từ 1 -ỉ- 3 giờ. Nồng
độ bùn hoạt tính trong bể a < lOOOmg/1. Bằng cách điều chỉnh lượng khí cấp vào và
lượng bùn hoạt tính tuần hoàn. Lượng BOD khử được từ 60 -r 65%.
Sơ đồ 6: Xử lí nước thải ở bể aeroten - trộn, aeroten kết hợp đẩy - trộn.
Tăng hiệu quả của bể aeroten có thể đạt được bằng cách làm điểu hoà tốc độ tiêu thụ
ôxy trên cả chiều dài của bể. Để đạt được mục đích đó có thể cho nước thải và bíin vàc
bể aeroten tại nhiều điểm khác nhau. Có 2 trường hợp cần quan tâm:
Trường hợp aeroten trộn: khoảng cách giữa các cửa xả nước và bùn lấy bằng
3 -r 4m. Nước đã xử lí thu về máng đối diện (xem hình 13.11).

Bùn hoat tính tuăn hoàn
Nước từ bể lẳng ĩ

____ l^ ống khí

Nước ra khói bể

Hình 13.11
Trường hợp aeroten đẩy - trộn. Nước xả vào 4 vị trí ở nửa đầu của bể. Tại vị trí đầu
xả 10% tổng lưu lượng nước, tại vị trí 2 và 3 mỗi nơi 35%, còn tại vị trí 4 xả 20%. Bùn
hoạt tính đưa vào tại một điểm đầu bể. Nưóc đã xử lí thu về máng đặt ở cuối bể.
Loại bể này chủ yếu dùng để xử lí nước thải có nồng độ nhiễm bẩn cao và thành phần
tính chất thay đổi thất thường (nước công nghiệp hoặc nước hỗn hợp dân dụng và cóng
nghiệp).
Sơ đồ 7: Xử lí nước thải ở bể aeroten - lắng. Nguyên tắc làm việc tương tự như bể
aeroten - trộn, nhưng bể lắng đợt II được hợp khối với bể aerôten. Bùn được tách khỏi
nước thải không bằng cách lắng trọng lực, mà thực hiện khi cho nước đi qua lớp chất lơ
lửng. Qua quan sát thực tế có thể thấy lượng cặn lơ lửng không tăng thêm khối lượng. Vì
đồng thời với quá trình hình thành cặn (vào vùng lắng) thì một lượng cặn tương đưcng
lắng xuống và quay trở lại vùng làm thoáng. Cặn dư có thể lấy bằng máy bơm hoặc bảng
áp lực thuỷ tĩnh.
Sơ đồ bể aeroten - lắng có thể xử lí nước thải ở mức độ hoàn toàn, khả năng ôxy ìoả
của bể theo BOD đạt 286 610 g/m^. Tốc độ dòng chảy lấy khoảng 0,5mm/s. Khocng
cách giữa các điểm xả nước bằng 2 lần chiều rộng của bể (khoảng 4 -í- 6 m).
196


2, Khi

1, ống dẫn nước

'Vt-

/
1*

w

Thời gian lưu có thể xác định theo công thức:
t=

15S
TR

+ 2 , giờ

(13.24)

Trong đó: Sq - Hàm lượng BOD ban đầu, (mg/1);
R - Tốc độ òxy hoá (45 g/m^.h);
T - Nhiệt độ trung bình nãm cùa nước thải, (”C).
Sơ dồ aeroíen - lắng có ưu điểm;
- Cặn có thể lấy bằng máy bơm hoặc bằng áp lực thuỷ tĩiih;
- Không cần bom bùn tuần hoàn;
- Xây dựng phần lắng rẻ ỈKín xây dựng bể lắng.
Tuy nhiên cũng có khuyết điểm là khóng điều chỉnh được chế độ công tác của bể khi
bể làm việc quá tải và không có bộ phận tái sinh hoạt tính của bùn.
13.2.5, Xác định hệ sô sử dụng thê tích
Trong thực tế xử lí nước thải, khi thiết kế bể aeroten thường chọn kiểu bể có chế độ
dòng chảy:

- Làm việc theo mẻ.
- Làm việc liên tục.
Hiệu quả làin sạch của bể aeroten phụ thuộc vào đặc tính thuỷ lực của bể hay còn gọi
là hệ số sử dụng thể tích của bể, phương pháp nạp chất nền vào bể và phương pháp thu
hỗn hợp bùn hoạt tính ra khỏi bể, kiểu dáng và đặc trưng thuỷ lực của các thiết bị làm
197


thoáng, thòi gian làm thoáng,... Do đó khi thiết kế cần tính đến những ảnh hường này để
chọn kiểu dáng và kích thước bể cho phù hợp với yêu cầu xử lí đặt ra.
Sau đây xét một vài trưòmg hợp phổ biến thường gặp trong khi nghiên cứu thiết kế
công trình.
1. B ểaeroten làm việc theo m ẻ
Bể eroten làm việc theo mẻ là bể aeroten làm việc không liên tục. Thường người ta
cho nước thải vào đầy bể với thời gian t|, khuấy trộn trong thời gian
yên trong thời gian

sau đó đê lắng

rồi tháo nước ra với thời gian 14.

Trong thời gian t 2, nếu cường độ khuấy trộn đủ lớn (khuấy trộn hoàn chỉnh), dung
tích bể được sử dụng hoàn toàn (tức là sử dụng 100% thể tích bể). Đối với giai đoạn lắng
13, vì nồng độ bùn được phân bố đều trong toàn bộ thể tích khi khuấy trộn và lắng, lực

trọng trường và lực cản tác dụng lên hạt cặn ở mọi điểm trong bể, nên hệ số sử dụng thể
tích là 100 %.
2. B ểa ero ten làm việc liên tục

Loại bể này được khuấy trộn hoàn chỉnh bằng thiết bị làm thoáng bề mặt hay bằng

giàn ống xương cá, rãnh thấm,...
Để đánh giá mức độ sử dụng thể tích của bể phải tiến hành thí nghiệm đo nồng độ
các phần tử chất chỉ thị đi ra khỏi bể theo thời gian. Thí nghiệm tiến hành như sau: Đổ
nước vào đầy bể, cho X gam chất chỉ thị vào bể (chất chỉ thị thường là chất trơ không gày
phản ứng hoá học là chất có màu hoặc bùn trơ). Khuấy trộn đều để đạt nồng độ chất chi thị
trong bể Cq = XA^ (V - thể tích bể), mở van cho lưu lượng nước Q liên tục chảy vào bê và
ra khỏi bể, sau một khoảng thời gian Al = 5 -r 10 phút, lấy mẫu nước đè đo nồng độ chất
chỉ thị. úhg với thời điểm t = 0 ta có c = c„: tị = Al có: c = Cj. t| = iAt, c = c,.
Từ phưotng trình cân bằng khối lượng, ta rút ra được:
(13.25)
Hình 13.13 giới thiệu đưòfiig cong phụ thuộc giữa nồng độ chất chí thị với thời gian
lưu nước trong bể.

Hình 13.13: Nổn^ áộ chất chỉ thị
với thời ^ian liũi nước

198


3. Bé aeroten có các ngăn trộn hoàn chỉnh đặt nôi tiếp thành dãy
Tại thời điểm tị, nồng độ chất chỉ thị ở đáu ra có thể xác định theo công thức:
(13.26)
( i - 1)!
Trong đó; Cq - Nồng độ chất chỉ thị ở đầu vào, (mg/1);
C| - Nồng độ chất chỉ thị ở đầu ra tại thời điếm tị, (mg/1);
0=

với t„= V/Q và t, = iAt;

n - Số bể trộn nối tiếp trong bể.

Hình 13.14 giới thiệu đồ thị phụ thuộc giữa nồng độ chất chỉ thị ở đầu ra của bể với
thời gian lấy mẫu.
Hiệu quả sử dụng thể tích:
E% = (P|o/P9o)x 100

(13.27)

Trong đó: P |0 và P90 - Giá trị thời gian ứng với nồng độ tích luỹ đạt 10% và 90% khối
lượng chất chỉ thị đã đi qua bể, lấy theo biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian và
khối lượng tích luỹ theo thời gian của chất chỉ thị

Pj

= ZAt.C| trên toạ độ logarit.

Hinh 13.14: Quan hệ iỊÌữa nổ/iíỊ độ chất chỉ thị tại đầu ra cùa h ể với thời ^ian lấy mẫu
Hình 13.15 giới thiệu mối quan hệ giữa giá trị thời gian ứng với % khối lượng tích luỹ
của chất chỉ thị.
4. B ể aeroten với dòng chảy đều
Tuy không tạo được bể aeroten có dòng chảy đều lí tưởng c, = Cq, tj = tg, nhưng hiệu
quả sử dụng thể tích của các bể aeroten cổ điển và các bế nước chuyển động tịnh tiến
đều đat rất cao.

199


0,01

0,1

1

5

10

20 30

50

70 80

Nóng độ ffnh luỹ p = l A t

Hình 13.15: Đổ thị quan hệ giữa thời gian và

90 95

X

%

99

99.9

99.99 %

Cị

khối lượng tích luỹ chất chỉ thị

13.2.6. Tính toán thiết kế bể aeroten
1. Các ch ỉ tiêu thiết kê'
a)
Dung tích hể: Dung tích bể có thể xác định theo một số công thức sau đây;
- Xác định dung tích bể theo tỉ số khối lượng chất nền và khối lượng bùn hoạt tính F/M:
(13.28)
X

M

Xác định dung tích bể theo tốc độ sử dụng chất nền của 1 gam bùn hoạt tính trong
một đơn vị thời gian (đo bằng ngày hoặc giờ);

P(l + Z)

(13.29)

- Xác định dung tích bể theo tuổi của cặn (thời gian lưu bùn hoạt tính trong hệ thống):
e ,Q (S ,-S )Y
3
V = --------- ---------- , m
X(i + K , e , )
-

(13.30)

Xác định dung tích bể theo tải trọng chất nền trên một đơn vị thể tích của bể

(kg BOD,/m^):
(13.31)
Trong các công thức trên:
Q - Lưu lượng tính toán nước thải, m % g ày;
Sq - Hàm lượng BOD 5 của nước Ihải, mg/1;
X - Nồng độ bùn hoạt tính (cặn hữu cơ bay hơi), mg/1;
200