Bể Bùn Hoạt Tính: Nguyên Lý và Các Biến Thể

Bể Bùn Hoạt Tính: Nguyên Lý Hoạt Động và Các Biến Thể Trong Xử Lý Nước Thải

Trong suốt hơn một thế kỷ qua, kể từ khi được Ardern và Lockett phát minh vào đầu thế kỷ 20, quy trình Bùn hoạt tính (Activated Sludge – AS) đã khẳng định vị thế là công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí quan trọng và được áp dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu.

Từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị quy mô lớn đến các hệ thống xử lý công nghiệp chuyên biệt, bùn hoạt tính đóng vai trò trung tâm trong việc loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD) và, thông qua các cải tiến và biến thể, có khả năng xử lý triệt để cả các chất dinh dưỡng gây phú dưỡng như Nitơ (N) và Phốt pho (P).

Bản chất của quy trình bùn hoạt tính là tạo ra một môi trường giàu oxy, nơi một quần thể vi sinh vật đa dạng (gọi là “bùn hoạt tính”) được nuôi cấy và duy trì ở nồng độ cao để tiêu thụ các chất ô nhiễm trong nước thải. Sinh khối vi sinh vật này sau đó được tách ra khỏi nước đã xử lý thông qua quá trình lắng trọng lực và một phần được tuần hoàn trở lại để duy trì hoạt động của hệ thống.

Mặc dù nguyên tắc cơ bản có vẻ đơn giản, sự thành công và tính linh hoạt của công nghệ bùn hoạt tính nằm ở khả năng thích ứng và phát triển thành nhiều biến thể khác nhau, mỗi loại được tối ưu hóa cho các mục tiêu xử lý cụ thể, điều kiện vận hành hoặc giới hạn về chi phí và diện tích.

Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích nguyên lý hoạt động cốt lõi của quy trình bùn hoạt tính truyền thống và khám phá các biến thể phổ biến nhất, làm rõ ưu nhược điểm và ứng dụng của từng loại.

1. Nguyên Lý Hoạt Động Cốt Lõi Của Quy Trình Bùn Hoạt Tính (Activated Sludge Process – ASP)

Quy trình bùn hoạt tính cơ bản là một hệ thống xử lý sinh học hiếu khí kiểu lơ lửng (suspended growth), bao gồm hai công trình chính và hai dòng tuần hoàn/thải bỏ bùn quan trọng:

1.1 Hai Công Trình Chính

A. Bể Phản Ứng Hiếu Khí (Aeration Tank / Aerotank):

Chức năng: Đây là “trái tim” của hệ thống, nơi diễn ra các phản ứng sinh hóa chính. Nước thải đầu vào (sau xử lý sơ bộ như loại bỏ rác, cát) được hòa trộn với dòng bùn hoạt tính tuần hoàn (Return Activated Sludge – RAS) từ bể lắng thứ cấp. Hỗn hợp này, được gọi là nước bùn (Mixed Liquor), được giữ trong bể và sục khí (aerated) hoặc khuấy trộn mạnh để cung cấp đủ oxy hòa tan (DO).

Quá trình sinh hóa: Trong môi trường giàu oxy và tiếp xúc với lượng lớn vi sinh vật hoạt tính, các quá trình sau diễn ra:

• Phân hủy chất hữu cơ (BOD/COD Removal): Vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn và năng lượng, chuyển hóa chúng thành CO2, nước và sinh khối mới (tăng trưởng tế bào).
• Nitrat hóa (Nitrification): Nếu điều kiện vận hành (đặc biệt là tuổi bùn – SRT) cho phép, vi khuẩn tự dưỡng nitrat hóa (AOB và NOB) sẽ oxy hóa Amoni (NH4+) thành Nitrat (NO3-).
• Hấp thụ Phốt pho (P-uptake trong EBPR): Nếu hệ thống được thiết kế theo quy trình loại bỏ phốt pho sinh học tăng cường (EBPR), vi khuẩn PAOs sẽ hấp thụ mạnh Phốt pho trong bể hiếu khí này sau khi đã trải qua giai đoạn kỵ khí.

Đặc điểm: Bể cần được thiết kế để đảm bảo thời gian lưu nước (HRT) đủ dài cho các phản ứng xảy ra, duy trì nồng độ sinh khối mong muốn (thường được đo bằng MLSS – Mixed Liquor Suspended Solids, nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước bùn, đơn vị mg/L; hoặc MLVSS – Mixed Liquor Volatile Suspended Solids, phần chất rắn hữu cơ bay hơi, đại diện tốt hơn cho sinh khối vi sinh vật) và cung cấp đủ oxy liên tục. Hệ thống sục khí (phân tán hoặc bề mặt) và hệ thống khuấy trộn (nếu cần) là các bộ phận thiết yếu.

B. Bể Lắng Thứ Cấp (Secondary Clarifier / Settling Tank II):

• Chức năng: Sau khi ra khỏi bể hiếu khí, hỗn hợp nước bùn được dẫn sang bể lắng thứ cấp. Đây là một bể lớn, được thiết kế để tạo ra điều kiện lắng tĩnh (quiescent), cho phép các bông bùn hoạt tính (flocs) nặng hơn nước lắng xuống đáy bể bằng trọng lực. Nước trong đã qua xử lý ở phía trên sẽ chảy tràn qua máng thu và được dẫn ra ngoài (effluent).
• Yêu cầu: Hiệu quả của bể lắng thứ cấp phụ thuộc rất lớn vào khả năng tạo bông (flocculation) và lắng (settling) của bùn hoạt tính. Bùn lắng tốt sẽ tạo thành một lớp bùn đặc dưới đáy và để lại lớp nước nổi trong bên trên với hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) thấp. Các vấn đề như bùn khó lắng (bulking) hay bùn nổi (rising sludge) sẽ làm giảm nghiêm trọng chất lượng nước đầu ra.
• Thiết kế: Thường có dạng hình tròn hoặc chữ nhật, với cơ cấu thu bùn đáy (gạt bùn) và máng thu nước mặt. Tốc độ dòng chảy bề mặt và tốc độ thu bùn cần được kiểm soát cẩn thận.

1.2 Hai Dòng Tuần Hoàn/Thải Bỏ Bùn Chính

Việc quản lý bùn là yếu tố then chốt để duy trì sự ổn định và hiệu quả của quy trình bùn hoạt tính.

A. Tuần Hoàn Bùn Hoạt Tính (Return Activated Sludge – RAS):

Mục đích: Bùn hoạt tính đã lắng dưới đáy bể lắng thứ cấp chứa một lượng lớn vi sinh vật cô đặc. Dòng RAS có nhiệm vụ bơm một phần bùn này quay trở lại bể hiếu khí. Việc này cực kỳ quan trọng vì:

• Nó “gieo” lại một lượng lớn vi sinh vật vào nước thải đầu vào, duy trì nồng độ sinh khối (MLSS) cao và ổn định trong bể hiếu khí, đảm bảo đủ “nhân lực” vi sinh để xử lý hiệu quả lượng chất ô nhiễm liên tục đi vào.
• Nó ảnh hưởng đến tuổi bùn (SRT) và tỷ lệ F/M của hệ thống.

Lưu lượng: Lưu lượng RAS thường được điều chỉnh dựa trên nồng độ MLSS mong muốn và đặc tính lắng của bùn, thường dao động từ 25% đến 100% (hoặc hơn) so với lưu lượng nước thải đầu vào (Q).

B. Thải Bỏ Bùn Dư (Waste Activated Sludge – WAS / Excess Sludge):

Mục đích: Do vi sinh vật liên tục sinh trưởng và tạo ra sinh khối mới trong bể hiếu khí, nếu không loại bỏ bớt, lượng bùn trong hệ thống sẽ tăng lên không ngừng, dẫn đến MLSS quá cao, quá tải bể lắng và làm giảm hiệu quả xử lý. Dòng WAS có nhiệm vụ thải bỏ một phần bùn hoạt tính ra khỏi hệ thống để:

• Kiểm soát tuổi bùn (SRT): SRT là thời gian lưu trung bình của vi sinh vật trong hệ thống. Bằng cách điều chỉnh lưu lượng WAS, người vận hành có thể kiểm soát SRT. SRT là thông số vận hành quan trọng nhất, quyết định loại vi sinh vật nào có thể tồn tại (ví dụ: vi khuẩn nitrat hóa cần SRT dài), ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý dinh dưỡng và đặc tính của bùn.
• Duy trì sự cân bằng sinh khối trong toàn hệ thống.

Vị trí lấy WAS: Có thể lấy trực tiếp từ đường ống RAS hoặc từ bể hiếu khí.

Xử lý tiếp theo: Bùn WAS là một sản phẩm phụ chính của quy trình bùn hoạt tính, cần được xử lý tiếp (cô đặc, ổn định – thường bằng phân hủy kỵ khí hoặc hiếu khí, khử nước) trước khi thải bỏ cuối cùng (chôn lấp, đốt, sử dụng làm phân bón…). Chi phí xử lý WAS chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí vận hành nhà máy.

1.3 Các Thông Số Vận Hành Quan Trọng

• DO (Oxy hòa tan): Đảm bảo mức tối thiểu cho các quá trình hiếu khí.
• SRT (Tuổi bùn): Kiểm soát bởi tốc độ thải bỏ WAS, quyết định hiệu quả xử lý dinh dưỡng và loại vi sinh vật tồn tại.
• HRT (Thời gian lưu nước): Thời gian nước thải ở trong bể hiếu khí, ảnh hưởng mức độ xử lý.
• F/M ratio (Tỷ lệ Thức ăn/Vi sinh vật): Tỷ lệ BOD đầu vào so với lượng sinh khối (MLVSS) trong bể. Ảnh hưởng hoạt tính vi sinh vật và đặc tính lắng.
• MLSS/MLVSS: Nồng độ sinh khối trong bể hiếu khí, cần duy trì ở mức tối ưu.
• SVI (Chỉ số thể tích bùn): Đo lường khả năng lắng của bùn, là chỉ thị quan trọng về chất lượng bùn và nguy cơ bùn khó lắng.

2. Bùn Hoạt Tính Truyền Thống (Conventional Activated Sludge – CAS)

Đây là cấu hình “kinh điển” và là nền tảng cho nhiều biến thể sau này.

Đặc điểm:

• Thường sử dụng bể hiếu khí dạng dòng chảy nút (Plug Flow Reactor – PFR) hoặc gần giống PFR (dài, hẹp). Nước thải và RAS đi vào một đầu và chảy dọc theo chiều dài bể ra đầu kia. Điều này tạo ra một gradient nồng độ cơ chất và DO dọc bể (cao ở đầu vào, thấp dần về cuối).
• Có thể có cấu hình cấp liệu theo bậc (Step Feed), nơi nước thải đầu vào được đưa vào tại nhiều điểm dọc theo chiều dài bể hiếu khí để phân bố đều tải trọng hữu cơ hơn.
• Thường vận hành ở tải trọng hữu cơ trung bình, F/M ratio vừa phải (khoảng 0.2 – 0.4 kg BOD/kg MLVSS.ngày) và SRT trung bình (5 – 15 ngày).

Ưu điểm: Hiệu quả loại bỏ BOD tốt; có thể đạt được nitrat hóa nếu SRT đủ dài và DO được kiểm soát tốt; cấu hình PFR có thể thúc đẩy sự phát triển của các bông bùn lắng tốt hơn so với bể khuấy trộn hoàn chỉnh trong một số trường hợp.

Nhược điểm: Nhạy cảm với sốc tải hữu cơ hoặc độc tố ở đầu vào của bể PFR; vùng đầu bể có nhu cầu oxy cao nhất, đòi hỏi thiết kế hệ thống sục khí linh hoạt; khó kiểm soát đồng đều DO và nồng độ cơ chất trong toàn bể.

3. Các Biến Thể và Quy Trình Cải Tiến Của Bùn Hoạt Tính

Từ nền tảng CAS, nhiều biến thể đã được phát triển để khắc phục nhược điểm, nâng cao hiệu quả, tiết kiệm chi phí hoặc đáp ứng các yêu cầu xử lý cụ thể:

3.1. Bùn Hoạt Tính Khuấy Trộn Hoàn Chỉnh (Completely Mixed Activated Sludge – CMAS) – Anoxic

• Đặc điểm: Bể hiếu khí được thiết kế (thường dạng vuông hoặc tròn) và vận hành với hệ thống khuấy trộn/sục khí mạnh mẽ để đảm bảo hỗn hợp nước bùn được hòa trộn hoàn toàn và tức thời. Nồng độ MLSS, DO và cơ chất gần như đồng đều tại mọi điểm trong bể.
• Mục đích: Tăng khả năng chống chịu sốc tải.
• Ưu điểm: Khả năng đệm (buffering) tuyệt vời đối với sự biến động đột ngột về lưu lượng, nồng độ chất ô nhiễm hoặc độc tố đầu vào do tải trọng được pha loãng ngay lập tức trong toàn bộ thể tích bể; vận hành ổn định hơn.
• Nhược điểm: Nồng độ cơ chất thấp và đồng đều trong toàn bể có thể làm giảm một chút tốc độ phản ứng sinh học so với vùng F/M cao ở đầu bể PFR; có nguy cơ dòng chảy tắt (short-circuiting) nếu thiết kế khuấy trộn không tối ưu; một số nghiên cứu cho thấy có thể kém thuận lợi hơn cho việc hình thành các bông bùn lớn, lắng tốt so với PFR.

3.2. Bùn Hoạt Tính Sục Khí Kéo Dài (Extended Aeration – EA) – Aerotank

• Đặc điểm: Vận hành ở SRT rất dài (thường > 20-30 ngày) và tỷ lệ F/M rất thấp (< 0.1 kg BOD/kg MLVSS.ngày). Điều này đạt được bằng cách giảm thiểu hoặc không thải bỏ bùn dư WAS trong thời gian dài. Thường sử dụng cấu hình bể CMAS hoặc Mương oxy hóa.
• Mục đích: Tối đa hóa quá trình khoáng hóa chất hữu cơ, đạt hiệu quả xử lý BOD và Nitrat hóa cao, và quan trọng nhất là giảm thiểu đáng kể lượng bùn dư cần thải bỏ.
• Ưu điểm:
  • Chất lượng nước đầu ra rất ổn định và tốt.
  • Sản lượng bùn dư cực thấp: Do ở F/M thấp và SRT dài, vi sinh vật trải qua quá trình hô hấp nội bào (endogenous respiration) mạnh mẽ, tự phân hủy sinh khối của chính chúng, làm giảm lượng bùn dư cần xử lý tới 75-90% so với CAS.
  • Thường không cần bể lắng sơ cấp.
  • Vận hành tương đối đơn giản.
• Nhược điểm:
  • Yêu cầu thể tích bể hiếu khí lớn hơn đáng kể do nồng độ MLSS thấp hơn và HRT dài hơn.
  • Chi phí năng lượng sục khí cao hơn trên mỗi đơn vị BOD xử lý do phải duy trì hoạt động cho quá trình hô hấp nội bào kéo dài.
  • Bùn có thể có đặc tính lắng kém hơn (dạng bùn già, phân tán, pinpoint flocs).
• Ứng dụng: Rất phổ biến cho các nhà máy xử lý nước thải quy mô nhỏ, các hệ thống xử lý phân tán (package plants) hoặc các khu vực có yêu cầu cao về giảm thiểu bùn thải.

3.3. Bể Phản Ứng Theo Mẻ (Sequencing Batch Reactor – SBR)

• Đặc điểm: Đây là một biến thể độc đáo về mặt vận hành, không phải về cấu hình bể. Toàn bộ các quá trình xử lý chính (cấp liệu – fill, phản ứng – react, lắng – settle, xả nước trong – decant, và chờ – idle) diễn ra tuần tự theo thời gian trong cùng một bể phản ứng. Không cần bể lắng thứ cấp riêng biệt.
• Nguyên lý:
  • Fill: Nước thải được bơm vào bể chứa bùn hoạt tính từ chu kỳ trước. Có thể cấp liệu tĩnh hoặc có khuấy/sục khí nhẹ.
  • React: Giai đoạn chính diễn ra các phản ứng sinh hóa. Có thể điều khiển linh hoạt các điều kiện (sục khí – hiếu khí, khuấy trộn – kỵ khí/thiếu khí) để đạt mục tiêu xử lý (BOD, N, P).
  • Settle: Ngừng hoàn toàn sục khí và khuấy trộn, cho phép bùn hoạt tính lắng xuống đáy bể trong điều kiện tĩnh hoàn toàn.
  • Decant: Nước trong đã xử lý ở lớp trên được rút ra ngoài một cách cẩn thận.
  • Idle: Thời gian chờ giữa các chu kỳ, có thể dùng để thải bùn dư.
• Ưu điểm:
  • Linh hoạt vận hành cao: Dễ dàng điều chỉnh thời gian các pha để đáp ứng sự thay đổi của nước thải đầu vào hoặc yêu cầu chất lượng đầu ra. Rất phù hợp cho việc loại bỏ dinh dưỡng (BNR) bằng cách tạo ra các pha hiếu khí/thiếu khí/kỵ khí xen kẽ.
  • Tiết kiệm diện tích: Loại bỏ được bể lắng thứ cấp.
  • Chất lượng nước đầu ra tốt: Quá trình lắng tĩnh hoàn toàn giúp tách bùn hiệu quả.
  • Kiểm soát tốt hơn hiện tượng bùn khó lắng.
• Nhược điểm:
  • Yêu cầu hệ thống điều khiển tự động hóa chính xác và phức tạp.
  • Hoạt động theo chu kỳ, cần ít nhất hai bể hoạt động song song hoặc bể điều hòa lớn để xử lý dòng chảy liên tục.
  • Có thể bị ảnh hưởng bởi lưu lượng đỉnh đột ngột trong pha cấp liệu.
• Ứng dụng: Phù hợp cho cả quy mô nhỏ và lớn, đặc biệt khi cần loại bỏ dinh dưỡng và diện tích đất hạn chế.

3.4. Công Nghệ Mương Oxy Hóa (Oxidation Ditch – OD)

• Đặc điểm: Một dạng cải tiến của quy trình sục khí kéo dài (EA) hoặc bùn hoạt tính truyền thống, sử dụng bể hiếu khí có dạng kênh hoặc mương hình vòng (oval hoặc tròn). Nước bùn được tuần hoàn liên tục quanh mương nhờ các thiết bị tạo dòng chảy và sục khí đặt trong mương, phổ biến nhất là các rotor chổi quay bề mặt (brush rotors) hoặc máy sục khí bề mặt tốc độ chậm/máy tạo dòng kết hợp sục khí phân tán.
• Nguyên lý: Dòng chảy tuần hoàn liên tục trong mương dài giúp tạo ra thời gian lưu nước (HRT) và tuổi bùn (SRT) dài, tương tự EA. Việc bố trí và điều khiển thiết bị sục khí/tạo dòng cho phép tạo ra các vùng có nồng độ DO khác nhau dọc theo mương, bao gồm cả vùng hiếu khí và vùng thiếu khí (anoxic) một cách tự nhiên hoặc có chủ đích.
• Ưu điểm:
  • Thiết kế và vận hành tương đối đơn giản, ổn định.
  • Khả năng chống chịu sốc tải tốt.
  • Dễ dàng tích hợp khả năng khử nitrat (denitrification) bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của rotor hoặc bật/tắt các thiết bị sục khí ở các vị trí khác nhau để tạo vùng thiếu khí, nơi Nitrat tạo ra ở vùng hiếu khí có thể được khử thành khí Nito.
  • Xử lý hiệu quả BOD và Nitơ tổng.
• Nhược điểm:
  • Yêu cầu diện tích đất xây dựng lớn hơn so với các công nghệ khác có cùng công suất.
  • Hiệu quả truyền oxy của một số loại rotor chổi kiểu cũ có thể không cao bằng hệ thống sục khí bọt mịn hiện đại.
• Ứng dụng: Rất phổ biến cho các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt quy mô vừa và lớn, đặc biệt khi có yêu cầu loại bỏ Nitơ và có đủ diện tích đất.

3.5. Các Quy Trình Loại Bỏ Dinh Dưỡng Sinh Học (BNR – Biological Nutrient Removal)

Đây không phải là một biến thể cấu hình duy nhất mà là một nhóm các quy trình bùn hoạt tính được thiết kế đặc biệt để loại bỏ đồng thời cả Nitơ (TN) và/hoặc Phốt pho (TP), đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải ngày càng nghiêm ngặt về dinh dưỡng.

• Nguyên tắc chung: Các quy trình BNR dựa trên việc bố trí một cách chiến lược các bể (hoặc vùng trong cùng một bể) với các điều kiện môi trường khác nhau (Kỵ khí – Anaerobic, Thiếu khí – Anoxic, Hiếu khí – Oxic/Aerobic) và điều khiển các dòng tuần hoàn nội bộ (ví dụ: tuần hoàn nước bùn giàu Nitrat từ bể hiếu khí về bể thiếu khí – Mixed Liquor Recycle, MLR) để thúc đẩy hoạt động của các nhóm vi sinh vật chuyên biệt (AOB, NOB, vi khuẩn khử nitrat dị dưỡng, PAOs).
• Các cấu hình BNR phổ biến:
  • Quy trình A/O (Anaerobic/Oxic): Thiết kế chủ yếu để loại bỏ Phốt pho (EBPR). Gồm bể kỵ khí phía trước bể hiếu khí. RAS được tuần hoàn về bể kỵ khí.
  • Quy trình A2O (Anaerobic/Anoxic/Oxic): Loại bỏ đồng thời cả TP và TN. Cấu hình: Kỵ khí → Thiếu khí → Hiếu khí. RAS về bể kỵ khí, MLR từ bể hiếu khí về bể thiếu khí.
  • Quy trình MLE (Modified Ludzack-Ettinger): Tập trung loại bỏ TN. Cấu hình: Thiếu khí → Hiếu khí. RAS và nước thải đầu vào đi vào bể thiếu khí, MLR từ bể hiếu khí về bể thiếu khí.
  • Quy trình Bardenpho (4-stage & 5-stage): Các cấu hình phức tạp hơn với nhiều bể thiếu khí và hiếu khí xen kẽ (ví dụ: Anoxic-Aerobic-Anoxic-Aerobic) và có thể có bể sục khí lại cuối cùng (re-aeration) để đạt hiệu quả khử Nitrat rất cao.
  • Quy trình UCT (University of Cape Town) và VIP (Virginia Initiative Plant): Là các cải tiến của quy trình A2O/Bardenpho nhằm tối ưu hóa hiệu quả loại bỏ P bằng cách thay đổi điểm tuần hoàn RAS (ví dụ: về bể thiếu khí thay vì kỵ khí) để giảm thiểu lượng Nitrat đi vào bể kỵ khí (Nitrat gây cản trở hoạt động giải phóng P của PAOs).
• Yêu cầu: Các quy trình BNR đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình sinh hóa, thiết kế cẩn thận về thể tích các bể/vùng, kiểm soát chặt chẽ DO ở từng vùng, quản lý chính xác các dòng tuần hoàn và duy trì SRT phù hợp.

3.6. Bùn Hoạt Tính Màng Sinh Học Tích Hợp (Integrated Fixed-Film Activated Sludge – IFAS)

• Đặc điểm: Một công nghệ lai (hybrid) kết hợp cả hai nguyên tắc xử lý: sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính) và sinh trưởng bám dính (màng sinh học – biofilm). Trong bể hiếu khí (hoặc cả bể thiếu khí), người ta bổ sung thêm các vật liệu giá thể (carriers) có diện tích bề mặt lớn (tương tự như trong công nghệ MBBR). Vi sinh vật sẽ phát triển cả dưới dạng bông bùn lơ lửng và dạng màng sinh học bám trên bề mặt giá thể.
• Mục đích:
  • Tăng cường tổng lượng sinh khối trong cùng một thể tích bể.
  • Nâng cao hiệu quả và sự ổn định của quá trình nitrat hóa: Màng sinh học tạo môi trường bảo vệ cho vi khuẩn nitrat hóa phát triển chậm, giúp duy trì quần thể nitrat hóa ổn định ngay cả khi SRT của phần bùn lơ lửng không quá dài.
  • Nâng cấp công suất của các bể bùn hoạt tính hiện hữu mà không cần mở rộng thể tích.
• Ưu điểm: Tăng khả năng xử lý tải trọng hữu cơ và nitơ; cải thiện độ ổn định của nitrat hóa, đặc biệt ở nhiệt độ thấp hoặc khi có sốc tải; cho phép vận hành ở SRT tổng thể thấp hơn mà vẫn đảm bảo nitrat hóa.
• Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cho giá thể; cần có lưới chắn ở đầu ra để giữ giá thể lại trong bể; có thể gặp vấn đề về tắc nghẽn giá thể hoặc phân bố không đều nếu thiết kế thủy lực và sục khí không tốt.

4. Lựa Chọn Biến Thể Bùn Hoạt Tính Phù Hợp

Việc lựa chọn quy trình bùn hoạt tính nào là phù hợp nhất phụ thuộc vào nhiều yếu tố cân nhắc:

• Yêu cầu chất lượng nước đầu ra: Chỉ cần loại bỏ BOD hay cần loại bỏ cả N, P? Mức độ yêu cầu nghiêm ngặt đến đâu?
• Đặc tính nước thải đầu vào: Nồng độ ô nhiễm (cao hay thấp), tỷ lệ BOD/N/P, sự biến động về lưu lượng và nồng độ, nhiệt độ, độ kiềm, sự hiện diện của các chất độc hại.
• Diện tích đất khả dụng: Các công nghệ như OD, EA truyền thống thường cần nhiều diện tích hơn SBR, IFAS hoặc các BNR thiết kế tối ưu.
• Chi phí đầu tư (CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX): Bao gồm chi phí xây dựng, thiết bị, năng lượng (đặc biệt là sục khí), hóa chất (nếu cần), nhân công và xử lý bùn thải. EA giảm chi phí xử lý bùn nhưng tăng chi phí năng lượng. BNR phức tạp hơn về đầu tư và vận hành.
• Mức độ phức tạp trong vận hành và yêu cầu kỹ năng của nhân viên: Các quy trình BNR, SBR, IFAS thường đòi hỏi trình độ vận hành và bảo trì cao hơn so với CAS hay OD.
• Điều kiện cơ sở hạ tầng hiện có: Đối với việc nâng cấp nhà máy, cần xem xét khả năng tích hợp công nghệ mới vào các bể hiện hữu (ví dụ: chuyển đổi CAS thành IFAS hoặc thêm các vách ngăn để tạo vùng anoxic/anaerobic).

Kết Luận

Quy trình bùn hoạt tính, với nguyên lý cốt lõi dựa trên việc nuôi cấy vi sinh vật hiếu khí ở nồng độ cao trong bể sục khí, sau đó tách chúng ra bằng bể lắng và tuần hoàn một phần trở lại, đã chứng tỏ là một công nghệ xử lý nước thải cực kỳ hiệu quả và linh hoạt trong hơn một thế kỷ qua. Nó không chỉ mạnh mẽ trong việc loại bỏ các chất hữu cơ gây ô nhiễm mà còn có khả năng thích ứng để giải quyết các vấn đề phức tạp hơn như loại bỏ Nitơ và Phốt pho.

Sự phát triển không ngừng của công nghệ này đã dẫn đến sự ra đời của hàng loạt các biến thể và quy trình cải tiến – từ khuấy trộn hoàn chỉnh (CMAS) giúp chống sốc tải, sục khí kéo dài (EA) và mương oxy hóa (OD) giúp giảm thiểu bùn dư và đơn giản hóa vận hành, đến bể phản ứng theo mẻ (SBR) linh hoạt và tiết kiệm diện tích, các quy trình loại bỏ dinh dưỡng sinh học (BNR) phức tạp đáp ứng tiêu chuẩn xả thải nghiêm ngặt, và công nghệ lai IFAS giúp tăng cường công suất.

Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động cơ bản cùng với đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm của từng biến thể là điều kiện tiên quyết để các kỹ sư, nhà quản lý và người vận hành có thể lựa chọn, thiết kế, và quản lý các hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính một cách tối ưu, hiệu quả về chi phí và bền vững về môi trường.

Dù cho các công nghệ mới khác tiếp tục xuất hiện, bùn hoạt tính và các biến thể của nó chắc chắn vẫn sẽ là một phần không thể thiếu trong bức tranh tổng thể của ngành xử lý nước thải toàn cầu trong nhiều năm tới.