Nghiên cứu nuôi cấy bùn vi sinh vật trong xử lý nước thải

1. Vi sinh vật hiếu khí (bùn hoạt tính)

Bùn hoạt tính là những quần thể sinh vật, vi sinh vật bao gồm: vi khuẩn, nấm, Protozoa, tích trùng và các loại động vật không xương, động vật bậc cao khác (giun, dòi, bọ). Bùn có dạng bóng, màu nâu xám.
Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn có thể chia làm 8 nhóm sau:
1. Alkaligenes - Achromobacter
2. Pseudomonas
3. Enterobacteriaceae
4. Athrobacter baccillus
5. Cytophaga - Flavobacterium
6. Pseudomonas - Vibrio aeromonas
7. Achrobacter
8. Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococus

Vi khuẩn Ecoli

Nguồn dinh dưỡng cho những vi sinh vật, sinh vật là những chất bẩn hữu cơ. So với ở sông, hồ tự nhiên, thì quần thể trong bể bùn hoạt tính không đa dạng bằng; cụ thể là: hoàn toàn không có tảo, giun, bọ và các loại hạ đẳng thì nghèo hơn. Riêng về quần thể vi sinh vật thì bùn hoạt tính rất đa dạng. Vi khuẩn là những nhóm vi sinh vật quan trọng nhất trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ và là thành phần cấu tạo chủ yếu của bùn hoạt tính. Bản chất của hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ xác định loại vi khuẩn nào là chủ đạo. Nước thải chứa protein sẽ kích thích các loài Alcaligenes, Flavobacterrium và Bacilus phát triển. Trong khi đó, nếu nước thải chứa hydrat cacbon hoặc cacbua hydro thì kích thích Pseudomonas. Có thời kì người ta cho rằng, bùn hoạt tính tạo nên do vi khuẩn và Zoogloea ramigen. Nhưng sau, người ta chỉ rằng tất cả các loài vi khuẩn đóng vai trò chính, còn Zoogloea Ramigera đóng vai trò chính, còn Zoogloea Ramogera đóng vai trò phụ đối với thành phần bùn hoạt tính.
Nấm thường được coi là không mong muốn tồn tại trong bùn hoạt tính. Nhưng đôi khi ở điều kiện nhất định vẫn thấy có nấm tồn tại. Nếu nước thải chứa hydrocacbon, với nồng độ cao, hoặc có chất hữu cơ lạ, pH thấp, thiếu chất dinh dưỡng thì sẽ kích thích nấm phát triển. Đa số loài nấm có xu hướng tạo dạng chỉ và ngăn cản việc tạo bông và làm bùn khó lắng. Một vài loại nước thải công nghiệp tạo nấm không phải như Fusarium, là loại nấm tạo bùn có khả năng lắng bình thường.
Protozoa chỉ đóng vai trò gián tiếp trong việc ổn định - phân hủy chất hữu cơ mà thôi. Khi nồng độ chất hũu cơ thấp tạo điều kiện cho động vật nguyên sinh phát triển và chiếm chủ đạo trong bùn hoạt tính. Khi nhiều quần thể vi khuẩn bơi tự do sẽ kích thích Ciliates bơi tự do. Khi quần thể vi khuẩn trở nên nghèo, Ciliates bơi tự do lại nhường chỗ cho Ciliates tiêm mao phát triển.
Rotiers thường ít thấy trong bùn hoạt tính. Chúng chỉ phát triển chiếm chủ đạo khi các loài Protozoa khác đã nghèo. Chúng có thể ăn các mẩu bông bùn lớn. Vì vậy loài Rotifers được coi là loài chỉ thị cho biết hệ sinh học đã ổn định rồi.
Cơ sở lý thuyết
Bùn hoạt tính được hình thành rất đơn giản bằng cách làm thoáng sục khí vào nước thải với sự có mặt của vi khuẩn. Việc sục khí được thực hiện cho tới khi vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Bùn hoạt tính hình thành không phải bởi một loại vi khuẩn tạo bông bặc biệt mà chỉ là một hiện tượng bình thường, bởi một loại vi khuẩn đều có mức năng lượng nhất định. Để nghiên cứu lý thuyết cỏ sở, tốt nhất là bắt đầu với nước thải thô mới, trước khi bùn phát triển và theo dõi quá trình qua từng giai đoạn.
Có thể tạo bùn hoạt tính từ nước thải chứa nhiều keo như nước thải sinh hoạt, hoặc nước thải chứa nhiều chất tan phức hợp như nước thải nhà máy hóa chất tổng hợp. Sự hình thành bùn hoạt tính đều diễn ra như nhau khi tiến hành ở hai loại nước thải trên đây, miễn là bảo đảm ổn định và có chất dinh dưỡng, tức là chứa đầy đủ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn phát triển bình thường. Đa số nước thải chứa đủ vi sinh vật để sản ra bùn hoạt tính, không cần phải gieo cấy gì thêm. Những vi sinh vật này thường có xuất xứ từ phân, các chất bẩn sinh hoạt. Đối với một số ít nước thải công nghiệp có thể phải có thêm một ít phân để gieo cấy.
Khi bắt đầu làm thoáng, tỷ lệ thức ăn và vi sinh vật (F:M) rất cao nên vi sinh vật ở trạng thái dư thức ăn. Sự sinh trưởng ban đầu theo qui luật Logarit. Khi vi khuẩn bắt đầu phát triển thì Protozoa cũng bắt đầu phát trển. Trong suốt pha sinh trưởng Log, chất hữu cơ trong nước thải bị khử với tốc độ cao nhất - max, với sự chuyển hóa tối ưu của chất hữu cơ thành tế bào mới. Mức năng lượng đủ cao để giữ cho tất cả vi sinh vật tản mản hoàn toàn, có thể chưa có được bùn hoạt tính ngay, chừng nào vi sinh vật còn đang trong pha sinh trưởng log. Tốc độ trao đổi rất nhanh của vi khuẩn làm cho nhu cầu tiêu thụ oxy rất cao. Nếu không giữ được ở điều kiện hiếu khí, tức là không đảm bảo oxy hòa tan, thì tốc độ trao đổi sẽ không theo qui luật log, nhưng vẫn theo cấp số cộng cho đến khi oxy không còn là yếu tố giới hạn nữa. Protozoa sẽ bị ảnh hưởng ngược lại nếu điều kiện yếm khí cứ kéo dài mãi.
Tỷ lệ thức ăn - vi sinh vật (F:M) giảm rất nhanh vì thức ăn đã bị cạn và những tế bào mới lại sinh sản ra. Tới một thời điểm nhất định, thức ăn chỉ vừa đủ và là yếu tố giới hạn trong việc sinh trưởng tiếp theo. Pha sinh trưởng log bắt đầu chuyển sang pha sinh trưởng chậm dần. Sự sinh trưởng tiếp theo tỷ lệ thuận với thức ăn còn lại. Cả vi khuẩn lẫn Protozoa đều bắt đầu giảm. Một ít tế bào bắt đầu chết và bắt đầu hình thành bông keo tụ. Trong bể aeroten chảy rối, những vi khuẩn thường xuyên tiếp xúc với nhau. Chừng nào vi khuẩn có đủ năng lượng thì chúng phân hủy càng nhanh và tiếp tục chức năng trao đổi bình thường của chúng. Khi năng lượng của hệ giảm, càng nhiều vi khuẩn bị thiếu năng lượng để khắc phục lực hấp dẫn giữa hai tế bào, ngay tức khắc chúng liên kết keo. Hai tế bào chuyển động như một, chẳng bao lâu ba rồi bốn... Cứ như thế cho tới khi hạt nhỏ dạng bông được hình thành.
Nồng độ thức ăn tiếp tục giảm và vi sinh vật tiếp tục tăng, nhưng với tốc độ chậm dần. Tỷ lệ F:M trở nên nhỏ nhất, kết thúc pha sinh trưởng chậm dần và bắt đầu pha hô hấp nội bào. Tỷ lệ F:M được giữ không đổi trong suốt pha hô hấp nội bào. Có thể nói hệ rất ổn định ở pha hô hấp nội bào. Chỉ có một lượng rất ít thức ăn còn lại không bị phân hủy (trao đổi) hoặc bị phân hủy với tốc độ rất chậm. Nhu cầu tiêu thụ năng lượng để giữ cho vi khuẩn sống rất thấp so với năng lượng tiêu thụ cho sinh trưởng.
Vi khuẩn không thể có đủ năng lượng từ phần thức ăn còn lại trong nước bao quanh chúng, nên chúng bắt đầu phân hủy phần thức ăn dự trữ trong tế bào riêng của mình. Mỡ dư và hydratcacbon bị tiêu hao trước và sau đó là protein. Mức năng lượng vừa giảm thì tốc độ tạo bông lại tăng rất nhanh. Những loài Protozoa giả túc bơi tự do phải vất vả mới tìm được đủ vi khuẩn để sinh sống và chúng cũng bắt đầu chết. Khi đó, loài Protozoa có chân bắt đầu phát triển và chúng chiếm vị trí chủ đạo trong suốt pha trao đổi nội bào. Vi khuẩn bắt đầu chết nhiền hơn. Enzyme nội bào của chúng tan rất nhanh trong thành tế bào, chất dinh dưỡng (còn lại trong tế bào) khuếch tán ra ngoài để cung cấp một chút thức ăn nữa cho các tế bào khác còn sống sót. Khái niệm cho rằng vi khuẩn ăn nhau là không có lý. Chất nhầy cho phép vi khuẩn còn sống lấy được chất dinh dưỡng từ vi khuẩn chết ở bên cạnh, nhưng chỉ sau khi tế bào chết. Vấn đề quan tâm nữa là: phần còn lại của vi khuẩn là phần bền vững, không phân hủy được, là hợp phần không nhầy nội bào. Chất chủ yếu cấu tạo nên thành tế bào phải là hợp chất nhầy polysaccarit thì cũng có thể phân hủy màng tế bào vì lớp màng nhầy cũng là sản phẩm thải của thành tế bào. Vi khuẩn phải vừa tạo ra vừa phải chứa enzyme đó, nên chúng được coi như một bình chứa muối toàn năng.
Nếu thời gian làm thoáng cứ tiếp tục thì quần thể vi khuẩn sẽ tiếp tục giảm. Loài Protozoa giả túc bơi tự do cũng chết hết, loài Protozoa có chân tiêm mao cũng bắt đầu giảm, nhưng tích trùng Rotifers lại bắt đầu tăng. Tích trùng Rotifers có thể ăn những hạt bông keo tụ nhỏ mà không tùy thuộc những tế bào cá thể. Nếu thời gian làm thoáng rất dài thì làm cho tất cả mọi loài sinh vật đều chết và chỉ còn lại phần trơ bền vững của tế bào. Không bao giờ được phép làm thoáng bùn hoạt tính quá lâu vì phải mất nhiều tháng mới đạt được trạng thái hoạt tính ban đầu.
Thông thường khi đạt được tới pha hô hấp nội bào thì phải tích bông bùn đã hình thành bằng cách lắng. Bông đậm đặc lại được tuần hoàn nuôi dưỡng ở bể bùn hoạt tính giàu chất hữu cơ. Vì lượng vi sinh vật cao hơn lúc ban đầu nên tỷ lệ F:M thấp hơn và vi khuẩn lại bắt đầu phát triển nhưng ở điểm cao hơn trong chu trình sinh trưởng. Thời gian làm thoáng không đổi sẽ cho phép hệ cứ tăng tiến dần đến pha hô hấp nội bào theo từng chu trình. Kết quả sẽ tạo được bông tốt hơn và nước ra khỏi hệ trong hơn. Như vậy tốc độ khử chất hữu cơ sẽ nhanh nhất ở pha sinh trưởng, còn việc tạo bông bùn sẽ tốt nhất ở pha hô hấp nội bào.

2. Bể bùn hoạt tính trong xử lý nước thải

Bể hoạt tính trọng công nghệ xử lý nước thải

Bể bùn hoạt tính là một công trình làm sạch sinh học điển hình nhất và có tính "năng động" nhất. Nó có thể cho phép đều chỉnh nước ra với bất kỳ nồng độ chất bẩn hữu cơ mà ta mong muốn - từ nồng độ cao đến nồng độ thấp.
Quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính được phát triển ở các nước từ đầu thế kỷ 20, đến nay đã có nhiều thay đổi cơ bản và hoàn chỉnh, phát triển theo chiều hướng nghiên cứu, thiết kế cấu tạo và quản lý.
Không có công trình xử lý sinh hóa nào nhiều ưu điểm cũng như nhiều nhược điểm hơn so với bể bùn hoạt tính.

2.1. Nguyên lý công tác

Bể bùn hoạt tính là bể bùn có hình chữ nhật dài trên mặt bằng. Nước thải chảy vào bể được hòa trộn với bùn hoạt tính tuần hoàn. Để cung cấp oxy cho vi sinh vật - bùn hoạt tính và khuấy trộn đều hỗn hợp, người ta dùng thiết bị khuấy trộn bằng không khí nén hoặc cơ khí.
Thông thường không khí nén được dẫn vào một phía của bể. Nước vào đầu bể và ra ở cuối bể. Có khi người ta dẫn và phân phối nước dọc theo cạnh dài và dẫn ra theo cạnh đối diện - gọi là bể aeroten trộn. Thời gian nước lưu lại trong bể thường từ 2 đến 12 giờ, đôi khi 20 giờ.
Các chất bẩn trong nước thải sẽ hấp phụ lên bề mặt bùn hoạt tính. Cường độ quá trình hấp phụ rất mạnh, nhất là những phút đầu sau khi nước thải tiếp xúc với bùn. Trong thời gian đó, nồng độ nước thải giảm xuống quá nửa. Những chất hữu cơ dạng tan chuyển vào trong tế bào vi khuẩn nhờ men permeaza. Ở đó, các chất bẩn được phân giải và tái tạo chất mới của tế bào. Những chất hữu cơ đó có kích thước phân tử lớn sẽ nhờ tác dụng của men ngoại bào và phân chia thành những phần tử nhỏ hơn để xâm nhập vào tế bào. Trạng thái bùn hoạt tính, thành phần tính chất nước thải, tỷ lệ giữa nồng độ chất bẩn và nồng độ bùn hoạt tính v.v... ảnh hưởng đến lượng và tỷ lệ giữa các chất hấp phụ trên bề mặt tế bào và các chất hấp phụ vào trong tế bào.
Các chất lơ lửng không tan trong nước cũng hấp phụ lên bề mặt tế bào - bùn hoạt tính. Một phần những chất này cùng với vi khuẩn là thức ăn cho Protozoa, giun bọ. Một phần khác chịu tác dụng bởi men vi khuẩn biến thành chất tan và được vi khuẩn đồng hóa. Vì quá trình khoáng hóa các chất lơ lửng diễn ra chậm hơn so với các chất tan, cho nên trong thành phần của bùn hoạt tính bao giờ cũng còn một lượng nhất định chất lơ lửng chưa kịp chuyển hóa, phân giải.
Sau khi ra khỏi bể bùn hoạt tính, hỗn hợp nước và bùn qua bể lắng hai. Ở đó bùn hoạt tính đông tụ lại và lắng xuống. Nước trong - sạch, chứa rất ít chất hữu cơ, sau khi được khử trùng sẽ xả ra nguồn nước sông hồ. Bùn hoạt tính lắng xuống, phần lớn được tuần hoàn trở lại bể bùn hoạt tính, một phần gọi là bùn hoạt tính dư được tiếp tục đưa đi xử lý.
Phải cho bùn hoạt tính tuần hoàn trở về vì phải giữ nồng độ bùn trong bể bùn hoạt tính ở mức ổn định, chỉ xả đi lượng bùn dư - tương ứng với lượng tăng sinh khối - không cần thiết cho quá trình mà thôi.
Bùn hoạt tính lắng xuống ở bể lắng hai còn chưa khá nhiều chất chưa được chuyển hóa. Trước khi tuần hoàn về bể bùn hoạt tính, người ta cho tái sinh.
Tái sinh bùn hoạt tính bao gồm làm thoáng - sục khí vào bùn mà không cho thêm chất bẩn vào nữa. Khi đó các chất hữu cơ đã hấp phụ và hấp phụ chưa kịp chuyển hóa trước đây thì lúc này sẽ bị oxy hóa. Khi nước thải chứa các chất chậm oxy hóa, tức là chứa các chất bền vững thì cần phải thực hiện tái sinh và khi đó sẽ tiết kiệm được nhiều dung tích chung của bể bùn hoạt tính, tránh được hiện tượng yếm khí trong bể. Do vậy ngay cả khi nước thải chứa các chất dễ bị oxy hóa nên người ta cũng thực hiện tái sinh. Ở bể tái sinh, nồng độ bùn rất cao, tới 4 - 8 g/l gấp 3 - 4 lần nồng độ bùn hoạt tính ở bể bùn hoạt tính (1,5 - 2,5 - 3g/l).
Người ta có thể làm sạch nước thải với mức độ hoàn toàn hoặc không hoàn toàn. Làm sạch hoàn toàn tức là trong bể diễn ra cả hai quá trình hấp phụ và oxy hóa. Nước thải sau khi ra khỏi bể lắng hai có nồng độ BOD toàn phần rất thấp < 15 - 25mg/l. Nếu vượt quá giới hạn đó và chỉ diễn ra một giai đoạn hấp phụ thôi thì gọi là xử lý không hoàn toàn. Kiểu bể bùn hoạt tính, chế độ công nghệ, thành phần hóa học của nước thải... đều ảnh hưởng tới sự hình thành bùn hoạt tính - các quần thể vi sinh vật trong bể.

2.2. Lý thuyết vận hành

Trong hệ bùn hoạt tính, bể bùn hoạt tính có kích thước cố định, khi có thời gian àm thoáng cũng cố định ứng với lưu lượng nước đã cho. Như vậy, thời gian để đạt hoạt tính sinh học sẽ bị giới hạn theo sự biến đổi lưu lượng dòng chảy trong bể. Với nước thải sinh hoạt, bể bùn hoạt tính được thiết kế với thời gian trung bình nước lưu lại trong đó và tải trọng trung bình gBOD/m3 bể trong ngày đêm. Với thời gian trung bình, vi sinh vật sẽ biến đổi theo chu kỳ một cách liên tục dọc theo đường cong sinh trưởng.
Khi bùn tuần hoàn được khuấy trộn với nước thải, tỷ lệ F:M sẽ quyết định thời gian mà vi sinh vật lặp lại đường cong sinh trưởng. Thời gian nước lưu lại trong bể bùn hoạt tính sẽ xác định thời gian phản ứng diễn ra dọc theo đường cong sinh trưởng. Với tải trọng chất hữu cơ từ 0,3 - 0,5kgBOD/mngđ và thời gian nước lưu lại 6 - 8giờ vi sinh vật sẽ ở pha sinh trưởng chậm dần trong 2 giờ, thời gian còn lại là pha oxy hóa nội bào. Pha oxy hóa nội bào với thời gian dài sẽ cho phép hệ thống làm việc tốt. Nước ra khỏi bể bùn hoạt tính sẽ dễ lắng, chứa ít chất hữu cơ, nhưng lại hạn chế hệ khi phải làm việc với chế độ tải trọng tăng đột ngột.
Một trong những chướng ngại đối với bể bùn hoạt tính là độ không ổn định của nước vào: Quá trình vận hành bị nặng nề nhất khi lưu lượng nước thải và tải trọng chất bẩn hữu cơ biến động lớn. Vì lý do này cho nên bể bùn hoạt tính chỉ được áp dụng đối với các đô thị lớn, nơi có sự ổn định tương đối về lưu lượng và nồng độ chất bẩn. Ở những bể bùn hoạt tính thường vi sinh vật phải chịu đựng sự không ổn định và những chu kỳ dao động này.
Khi vi sinh vật đạt tới cuối giai đoạn làm thoáng, chúng sẽ ở trạng thái cân bằng với chất hữu cơ bao quanh. Ở thời điểm này, số sinh vật sống tỷ lệ thuận với lượng chất hữu cơ trong nước. Trong bùn hoạt tính người ta đánh giá rằng chỉ khoảng 25- 30% chất lơ lửng không tro trong thành phần cấu tạo của vi sinh vật sống. Phần còn lại của chất hữu cơ không tro là chất hữu cơ trơ bền vững, và xác tế bào chết lẫn với nước ra. Tuần hoàn bùn đã lắng về đầu bể bùn hoạt tính sẽ tăng làm tăng tức thời tỷ lệ F:M và kích thích việc tổng hợp nhanh chóng các tế bào mới. Vi sinh vật lại trao đổi và phân hủy chất hữu cơ, đồng thời lại phục hồi sự cân bằng.
Với chu kỳ bình thường của nước sinh hoạt, lưu lượng và nồng độ thấp về ban đêm và tăng lên về ban ngày. Nghĩa là vi sinh vật kéo dài thời gian trao đổi nội bào về ban đêm và không được chuẩn bị để tiếp nhận sự tăng đột ngột tải trọng chất bẩn hữu cơ mà lại giảm thời gian nước lưu lại lúc buổi sáng sớm. Kết quả là làm giảm hiệu suất quá trình. Ban ngày, lưu lượng, nồng độ tăng lên, thời gian trao đổi bị giảm với giá trị min - thấp nhất. Kích thước của bể phải đủ để cho phép vi sinh vật đạt được và thực hiện giai đoạn trao đổi nội bào.Trong suốt khoảng thời gian mà lưu lượng và tải trọng chất hữu cơ cao nhất (max), nếu bể bùn hoạt tính không đủ lớn để giai đoạn đó diễn ra thì lưu lượng nước ra khỏi bể sẽ đục và lẫn nhiều vi sinh vật. Sự dao động thường xuyên và sự không cân bằng liên tục của vi sinh vật là vấn đề cơ bản cần lưu ý để thiết kế, vận hành có hiệu quả hệ thống bể hiếu khí với bùn hoạt tính.
Nhu cầu oxy: Quá trình với bùn hoạt tính là một quá trình hiếu khí, yêu cầu có oxy dư ít nhất 0,5mg/l trong suốt thời gian, bất kỳ ở thời điểm nào nếu như hệ hoạt động liên tục. Nếu để hệ biến thành yếm khí thì sẽ có hại cho Protozoa, vì Protozoa lại cần thiết cho việc làm trong nước. Như vậy phải kéo dài thời gian cần thiết cho quá trình ổn định diễn ra. Oxy là yếu tố khống chế đầu tiên trong hệ với bùn hoạt tính. Nhu cầu oxy là hàm số thuận của quá trình trao đổi sinh học. Nhu cầu oxy lớn nhất ở đầu bể aeroten khi thức ăn và vi sinh vật khuấy trộn với nhau. Nếu nhu cầu oxy lớn hơn lượng cung cấp thì sẽ tạo điều kiện yếm khí và vấn đề vận hành sẽ trở nên phức tạp hơn. Nồng độ oxy hòa tan thấp sẽ làm cho nước ra khỏi hệ bị đục. Protozoa không phát triển được để hòa tan chức năng của mình; vi khuẩn dạng chỉ sẽ phát triển, ngăn cản việc tạo bông mịn và lắng kém.
Để cung cấp oxy người ta dùng hệ phân phối không khí bằng máy nén hoặc cơ khí. Để xử lý nước thải sinh hoạt, khối lượng không khí cần cung cấp khoảng 4 - 8m3 không khí cho 1m3 nước thải với hiệu suất vận chuyển oxy khoảng 5%.
Ở hệ làm thoáng với dùng máy nén khí, không khí nén được phân phối qua ống khoan lỗ hoặc qua tấm xốp. Oxy từ các bọt không khí sẽ được khuếch tán vào nước, rồi vào bông bùn và vi sinh vật. Tốc độ chuyển vận oxy tùy thuộc gradien nồng độ oxy giữa bọt khí và nước, diện tích tiếp xúc giữa nước và khí, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ và đặc tính của nước... Tốc độ vận chuyển oxy lớn nhất khi nồng độ oxy trong nước bằng 0. Tuy nhiên trong bể bùn hoạt tính không có nơi nào nồng độ oxy bằng 0 cả.
Diện tích tiếp xúc giữa không khí và nước sẽ tăng khi kích thước các bọt khí giảm, cho nên các bọt khí càng nhỏ thì sự chuyển vận oxy sẽ cao hơn so với các bọt khí lớn. Nhưng mặt khác, các bọt khí càng nhỏ thì sức kháng đối với sự chuyển vận oxy từ khí sang nước (ở biên giới phân chia) lại tăng thêm. Oxy khuếch tán từ bọt vào nước, bão hòa ở màng nước quanh bọt. Tiếp đó nhờ dòng chảy rối và tùy thuộc độ bão hòa, các màng nước quanh bọt sẽ đổi chổ cho nhau và cuối cùng bọt khí nổi lên mặt nước rồi bung ra. Bọt khí nổi lên phía mặt nước rất nhanh nên thời gian tiếp xúc với nước rất ngắn, sự vận chuyển oxy vào nước sẽ ít hơn so với những bọt cùng kích thước nhưng nổi lên chậm. Thời gian tiếp xúc có thể tăng (hoặc giảm) khi giảm tốc độ (hoặc chiều cao) nổi lên của bọt. Nhưng nếu giảm quá nhiều về tốc độ nổi lên của bọt thì sẽ làm giảm độ khuấy trộn của hỗn hợp và tạo nên những vùng chết trong bể.
Nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ hòa tan oxy trong nước, nhưng lại tăng tốc độ vận chuyển oxy vì nó ảnh hưởng tới những đặc điểm khác của quá trình vận chuyển oxy.
Đặc tính hóa học của nước ảnh hưởng tới nhiều sự vận chuyển oxy. Nồng độ muối hoặc các chất hữu cơ cao thì sẽ làm giảm tốc độ chuyển vận oxy. Bản thân nước thải cũng làm chậm sự chuyển vận oxy. Ngày nay trong nước thải chứa nhiều chất tẩy rửa - hoạt tính bề mặt, cũng ảnh hưởng nhiều tới sự chuyển vận oxy. Nhưng ở nước thải, chất tẩy rửa tổng hợp không làm giảm tốc độ chuyển vận oxy nhiều hơn so với các hợp phần hữu cơ khác. Vấn đề này đã và đang được nghiên cứu.
Như vậy hiệu suất chuyển vận oxy ở đầu bể, nơi nước thải và bùn bắt đầu xáo trộn với nhau, sẽ thấp hơn ở khoảng sau đó một ít, khi một phần chất hữu cơ đã bị trao đổi - phân hủy. Khi nhu cầu oxy giảm thì hiệu suất chuyển vận oxy cũng giảm. Ở nơi diễn ra giai đoạn hô hấp nội bào nhu cầu oxy rất ít, hiệu suất chuyển vận oxy sẽ thấp.
Nhu cầu chất dinh dưỡng và những yếu tố khác: Trong tất cả các hệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, đều cần phải cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng cho vi sinh vật để chúng xây dựng tế bào. Nước thải sinh hoạt chứa đủ các nguyên tố mà vi khuẩn cần. Nhưng nhiều loại nước thải côngnghiệp thiếu các nguyên tố tối cần thiết. Đó là Nitơ, Photpho. Lượng cần thiết của các nguyên tố này có thể tính được theo từng điều kiện cụ thể.
Các yếu tố môi trường quan trọng là: pH, nhiệt độ và thế oxy hóa - khử.
Khoảng giá trị pH = 6,5 - 9 được coi là bình thường đối với hệ bùn hoạt tính. Nếu dưới 6,5 thì nấm bắt đầu phát triển và ở pH = 4,5 thì nấm làm chủ hoàn toàn. Nếu trên 9 thì tốc độ trao đổi chất sẽ bị chậm và ngừng.
Thế năng oxy hóa khử là thế năng giữa những tác nhân oxy hóa và khử, chưa kể tới lượng của từng loại chất đó hoặc tính sinh học của chúng. Giá trị thế oxy hóa khử rất quan trọng đối với việc vận hành hệ thống. Nó không phải là nguyên nhân mà là kết quả của phản ứng sinh học.
Ngày nay người ta đã nghiên cứu áp dụng rất nhiều loại hình về cấu tạo cũng như sơ đồ công nghệ của bể bùn hoạt tính như: bể bùn hoạt tính kết hợp lắng hai, bể bùn hoạt tính với bể tái sinh riêng biệt bùn hoạt tính, bể bùn hoạt tính nhiều bậc - xử lý triệt để tới hai giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat...

2.3. Các quá trình sinh học

Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Lúc này, cơ chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh. Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai đoạn này rất cao. Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần.
+ Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lự¬c enzym đạt Max và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt Max, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi sau một thời gian khá dài.
+ Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình Nitrat hóa amoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc củaa Aerotank kết thúc.

2.4. Các hệ thống bể bùn hoạt tính

Hệ thống bể bùn hoạt tính gồm các loại: bể bùn hoạt tính truyền thống, bể bùn hoạt tính tiếp xúc - ổn định, bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài, bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh, bể bùn hoạt tính chọn lọc...
+ Bể bùn hoạt tính truyền thống: Bể bùn hoạt tính dòng truyền thống đầu tiên được sử dụng là các bồn hiếu khí dài, hẹp. Lượng oxy cần dùng thay đổi dọc theo chiều dài của bể phản ứng sinh hóa. Do đó, hệ thống này sử dụng các thiết bị thông gió làm thoáng bề mặt để lượng oxy cung cấp phù hợp với nhu cầu sử dụng dọc theo chiều dài bể. Bể phản ứng thường có dạng hình chữ nhật, với dòng vào và tuần hoàn bùn hoạt tính đi vào bể ở 1 đầu và chất lỏng trong bể được hòa trộn (dòng thải) sẽ đi ra ở đầu đối diện. Mô hình dòng chảy gần giống như hệ thống dòng chảy đều, với s¬ự phân bố thời gian lưu chất phụ thuộc vào tỷ lệ chiều dài và chiều rộng của bồn chứa, hỗn hợp trong bể gồm oxy do thiết bị cung cấp, các chất nền có sẵn trong dòng vào và dòng ra.
Lượng gió cấp vào từ 55m3/1kg BOD5 đến 65m3/1kg BOD5 cần khử. Chỉ số thể tích bùn thường dao động từ 50 - 150ml/g, tuổi của bùn thường từ 3 - 15 ngày. Nồng độ BOD đầu vào thường < 400mg/l, hiệu quả làm sạch thường từ 80 - 95%.

Bể bùn hoạt tính truyền thống

+ Bể bùn hoạt tính tiếp xúc ổn định: Hệ thống này chia bể phản ứng thành 2 vùng: vùng tiếp xúc là nơi xảy ra quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, và vùng ổn định là nơi bùn hoạt tính tuần hoàn từ thiết bị lọc nước sục khí để ổn định vật chất hữu cơ. Do nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước khá cao trong bể ổn định (tương đương với nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn), tổng thể tích bể phản ứng sinh hóa (vùng tiếp xúc và ổn định) có thể nhỏ hơn, giống như ở loại bể bùn kiểu truyền thống, trong khi vẫn duy trì thời gian lưu bùn như cũ. Vì vậy, bể bùn loại này được sử dụng để có thể vừa làm giảm thể tích bể phản ứng, hoặc có thể làm gia tăng khả năng lưu chứa của bể bùn truyền thống.
Trong vùng tiếp xúc, thời gian tiếp xúc từ 20 - 60 phút (phụ thuộc lưu lượng dòng vào). Dòng bùn tái sinh thường chiếm 25 - 75% dòng nước thải đầu vào để xử lý. Thể tích của vùng ổn định chiếm 50 - 60% tổng thể tích của toàn hệ thống, với thời gian lưu nước thường từ 0,5 - 2 giờ, trong khi thể tích vùng tiếp xúc là 30 - 35% tổng thể tích chung, với thời gian lưu nước là 4 - 6 giờ tùy thuộc vào dòng bùn hoạt tính tuần hoàn. Hiệu quả xứ lý của hệ thống này thường đạt 85 - 95% khả năng loại bỏ BOD5 và các chất rắn lơ lửng khỏi nước thải xử lý.
Bể bùn tiếp xúc - ổn định thường được dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt với số lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ dưới dạng các phân tử chất rắn.
+ Bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài: Thường có thời gian lưu bùn kéo dài để ổn định lượng sinh khối rắn từ quá trình chuyển hóa của các vật chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn. Thời gian lưu bùn thường kéo dài từ 20 - 30 ngày, đồng nghĩa với việc cần thời gian lưu nước khoảng 24 giờ để duy trì khả năng pha trộn nồng độ các chất rắn lơ lửng trong nước. Thời gian lưu nước kéo dài có 2 tác động: làm giảm lượng chất rắn bị loại bỏ và làm tăng sự¬ ổn định của quá trình. Tuy nhiên, đối với bể phản ứng loại lớn thì yếu tố này sẽ gây một số bất lợi, đó là làm hạn chế khả năng pha trộn.
+ Bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh: Bể hiếu khí có tốc độ thông khí cao và khuấy đảo hoàn chỉnh là loại Aerotank tương đối lý tưởng để xử lý nước thải có độ ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao. Aerotank loại này sẽ có thời gian làm việc ngắn. Rút ngắn được thời gian thông khí bằng vận hành ở tỷ số F/M cao, giảm tuổi thọ bùn hoạt tính (thời gian lưu nước trong bể ngắn). Trong bể Aerotank khuấy đảo hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn đều, tức thời. Do vậy, nồng độ bùn hoạt tính và oxy hòa tan được phân bố đều ở mọi nơi trong bể và dẫn đến quá trình oxy hóa được đồng đều, hiệu quả cao.