Mục lục bài viết

Xử lý hiếu khí: Cơ chế và Phân Tích Chuyên Sâu Cơ Chế Sinh Hóa và Các Giai Đoạn Chuyển Hóa

Xử lý hiếu khí(Aerobic treatment) là phương pháp xử lý sinh học được ứng dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu, đóng vai trò là “trái tim” của hầu hết các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt đô thị và nhiều loại hình nước thải công nghiệp.

Nguyên tắc cốt lõi của phương pháp này là sử dụng sức mạnh của các cộng đồng vi sinh vật trong điều kiện có đủ oxy hòa tan (DO) để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, và khi được thiết kế chuyên biệt, có thể loại bỏ hiệu quả cả các chất dinh dưỡng như Nitơ (N) và Phốt pho (P) – những tác nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước.

Khác với xử lý kỵ khí hoạt động trong môi trường thiếu vắng oxy và có khả năng thu hồi năng lượng, xử lý hiếu khí lại là một quá trình tiêu tốn năng lượng đáng kể (chủ yếu cho việc cung cấp oxy) và tạo ra một lượng lớn sinh khối (bùn dư). Tuy nhiên, tốc độ xử lý nhanh, hiệu quả loại bỏ BOD/COD cao và khả năng xử lý triệt để các chất dinh dưỡng khiến nó trở thành công nghệ không thể thiếu, đặc biệt khi các tiêu chuẩn xả thải ngày càng trở nên nghiêm ngặt.

Để vận hành và tối ưu hóa các hệ thống xử lý hiếu khí phức tạp, việc hiểu sâu về các cơ chế sinh hóa nền tảng, vai trò của từng nhóm vi sinh vật và các giai đoạn chuyển hóa vật chất là cực kỳ quan trọng.

Bài viết này sẽ thực hiện một cuộc “giải phẫu” chi tiết, phân tích chuyên sâu về cơ chế và các giai đoạn chính trong quá trình xử lý nước thải hiếu khí, từ việc phân hủy đơn giản các chất hữu cơ đến các quá trình phức tạp hơn như nitrat hóa và loại bỏ phốt pho sinh học tăng cường.

1. Nguyên Tắc Nền Tảng Của Xử Lý Hiếu Khí

Hoạt động cốt lõi của xử lý hiếu khí xoay quanh hai yếu tố chính: Oxy hòa tan và quần thể vi sinh vật hiếu khí.

1.1 Vai trò của Oxy Hòa Tan (DO)

Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen – Chỉ số DO) là yếu tố sống còn và là đặc trưng cơ bản nhất của quá trình xử lý hiếu khí. Nó đóng vai trò là chất nhận điện tử cuối cùng (final electron acceptor) trong chuỗi hô hấp của vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật “đốt cháy” (oxy hóa) các chất hữu cơ để lấy năng lượng, các electron được giải phóng sẽ được chuyển qua một chuỗi các phức hợp protein (chuỗi chuyền điện tử) và cuối cùng được chuyển đến oxy, tạo thành nước (H2O). Quá trình này giải phóng một lượng lớn năng lượng (ATP) cho hoạt động sống và tăng trưởng của tế bào.

Nồng độ DO cần thiết: Việc duy trì nồng độ DO đủ trong bể xử lý là tối quan trọng.

Để loại bỏ BOD/COD hiệu quả, nồng độ DO thường cần duy trì ở mức tối thiểu 1.0 – 2.0 mg/L.
Đối với quá trình nitrat hóa (sẽ đề cập sau), vi khuẩn nitrat hóa thường yêu cầu nồng độ DO cao hơn, thường trên 2.0 mg/L để hoạt động tối ưu.

Cung cấp Oxy (Sục khí/Thông khí): Do khả năng hòa tan tự nhiên của oxy từ không khí vào nước khá chậm và không đủ đáp ứng nhu cầu của vi sinh vật mật độ cao, các hệ thống xử lý hiếu khí phải sử dụng các hệ thống sục khí (aeration systems) nhân tạo để đưa oxy vào nước thải. Các phương pháp phổ biến bao gồm:

Hệ thống sục khí phân tán (Diffused Aeration): Sử dụng các đĩa hoặc ống phân phối khí có lỗ nhỏ (bọt mịn – fine bubble) hoặc lỗ lớn (bọt thô – coarse bubble) đặt dưới đáy bể để bơm không khí vào, tạo ra các bọt khí nổi lên, tăng diện tích tiếp xúc và hòa tan oxy vào nước. Sục khí bọt mịn hiệu quả truyền oxy cao hơn nhưng dễ bị tắc nghẽn hơn.
Hệ thống sục khí bề mặt (Mechanical Surface Aerators): Sử dụng các thiết bị cơ học như cánh khuấy tốc độ cao hoặc chổi quét bề mặt để tạo ra sự xáo trộn mạnh mẽ trên bề mặt, phá vỡ lớp mặt phân cách và tăng cường sự hòa tan oxy từ không khí.

Chi phí năng lượng cho hệ thống sục khí là khoản chi phí vận hành lớn nhất trong các nhà máy xử lý nước thải hiếu khí.

1.2 Quần Thể Vi Sinh Vật Hiếu Khí Đa Dạng

Bể xử lý hiếu khí, đặc biệt là bể bùn hoạt tính, là một hệ sinh thái thu nhỏ với một quần thể vi sinh vật vô cùng đa dạng và phức tạp, cùng nhau thực hiện các nhiệm vụ xử lý:

Vi khuẩn (Bacteria): Là nhóm đông đảo và đóng vai trò chủ đạo nhất.
- Vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí (Aerobic Heterotrophs): Chiếm phần lớn sinh khối, sử dụng chất hữu cơ (BOD/COD) làm nguồn carbon và năng lượng. Ví dụ: các chi Pseudomonas, Acinetobacter, Flavobacterium, Achromobacter, Zoogloea (quan trọng trong việc tạo bông bùn).
- Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng hiếu khí (Aerobic Chemoautotrophs): Nhóm vi khuẩn nitrat hóa (Nitrosomonas, Nitrobacter, Nitrospira…) sử dụng năng lượng từ oxy hóa các chất vô cơ (NH4+, NO2-) và nguồn carbon từ CO2 hoặc bicarbonate.
- Vi khuẩn tích lũy polyphosphate (PAOs – Phosphorus Accumulating Organisms): Nhóm vi khuẩn đặc biệt có khả năng tích lũy phốt pho dư thừa trong điều kiện hiếu khí sau khi trải qua giai đoạn kỵ khí. Ví dụ: Candidatus Accumulibacter.
Động vật nguyên sinh (Protozoa): Bao gồm các nhóm như trùng roi (Flagellates), trùng lông (Ciliates – ví dụ: Vorticella, Opercularia), trùng biến hình (Amoebas). Chúng đóng vai trò quan trọng:
- Là chỉ thị sinh học cho tình trạng “sức khỏe” của bùn hoạt tính (sự hiện diện và chiếm ưu thế của các nhóm khác nhau cho biết tuổi bùn và điều kiện vận hành).
- Ăn các vi khuẩn lơ lửng tự do và các hạt hữu cơ nhỏ, giúp làm trong nước thải đầu ra (giảm độ đục và vi khuẩn gây bệnh tiềm tàng).
Động vật đa bào nhỏ (Metazoa): Thường xuất hiện ở các hệ thống có tuổi bùn dài, bao gồm luân trùng (Rotifers), giun tròn (Nematodes), gấu nước (Tardigrades)… Chúng cũng góp phần ăn vi khuẩn và chất hữu cơ lơ lửng, làm sạch nước.
Nấm (Fungi): Thường có mặt với số lượng ít hơn vi khuẩn, nhưng có thể phát triển mạnh trong một số điều kiện nhất định (pH thấp, nước thải công nghiệp đặc thù). Một số loài nấm dạng sợi có thể gây ra hiện tượng bùn khó lắng (filamentous bulking).

1.3 Sự Hình Thành Bông Bùn (Floc Formation)

Trong hệ thống bùn hoạt tính (Activated Sludge – AS), một trong những quy trình hiếu khí phổ biến nhất, vi sinh vật không tồn tại riêng lẻ mà kết tụ lại với nhau thành các bông bùn (flocs). Sự hình thành bông bùn là cực kỳ quan trọng vì:

Tập hợp vi sinh vật lại với nhau, tạo điều kiện tương tác và chuyển hóa vật chất hiệu quả.
Tạo ra các hạt đủ lớn và nặng để có thể lắng xuống hiệu quả trong bể lắng thứ cấp, tách biệt sinh khối ra khỏi nước đã xử lý. Đây là cơ chế then chốt để giữ lại sinh khối trong hệ thống AS.

Quá trình tạo bông bùn là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa các vi khuẩn (đặc biệt là các loài có khả năng tiết ra nhiều EPS như Zoogloea), các chất polymer ngoại bào (EPS), các hạt rắn lơ lửng trong nước thải và các ion đa hóa trị (Ca2+, Mg2+, Fe3+…). Cấu trúc bông bùn thường xốp, không đều và có kích thước đa dạng. Chất lượng lắng của bông bùn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.

2. Cơ Chế Chuyển Hóa Sinh Hóa Chính Trong Xử Lý Hiếu Khí

Quá trình xử lý hiếu khí bao gồm nhiều phản ứng sinh hóa phức tạp diễn ra song song hoặc nối tiếp. Ba cơ chế chuyển hóa quan trọng nhất bao gồm: phân hủy chất hữu cơ, nitrat hóa và loại bỏ phốt pho sinh học tăng cường.

2.1. Phân Hủy Chất Hữu Cơ (Loại Bỏ BOD/COD)

Đây là nhiệm vụ cơ bản và phổ biến nhất của xử lý hiếu khí.

Mục tiêu: Loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan, keo và dạng hạt nhỏ có trong nước thải (thường được đo bằng chỉ số BOD – Nhu cầu Oxy Sinh hóa, và COD – Nhu cầu Oxy Hóa học).

Vi sinh vật tham gia: Chủ yếu là các vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí. Chúng sử dụng chất hữu cơ làm nguồn thức ăn (cung cấp carbon) và nguồn năng lượng.

Cơ chế (Hô hấp hiếu khí – Aerobic Respiration): Quá trình này có thể chia thành các bước chính:

Hấp thụ/Hấp phụ: Các chất hữu cơ hòa tan (đường, amino axit…) được vận chuyển trực tiếp qua màng tế bào vi khuẩn. Các chất dạng keo hoặc hạt nhỏ hơn có thể bị hấp phụ lên bề mặt bông bùn hoặc bị các enzyme ngoại bào phân giải sơ bộ trước khi được hấp thụ.

Phân giải nội bào (Catabolism): Bên trong tế bào, các chất hữu cơ bị “đốt cháy” qua một chuỗi các phản ứng sinh hóa để giải phóng năng lượng dưới dạng ATP (Adenosine Triphosphate). Các con đường chính bao gồm:

Đường phân (Glycolysis): Phân tử đường (ví dụ: glucose) bị bẻ gãy thành pyruvate.
Chu trình Axit Citric (Citric Acid Cycle hay Chu trình Krebs): Pyruvate được oxy hóa hoàn toàn thành CO2.
Chuỗi Chuyền Điện Tử (Electron Transport Chain): Các electron năng lượng cao được giải phóng từ các bước trên được vận chuyển qua một chuỗi các protein màng, và cuối cùng được chuyển đến Oxy (O2), tạo thành nước (H2O). Quá trình này tạo ra lượng ATP lớn nhất.
Phương trình tổng quát (ví dụ với glucose): C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Năng lượng (ATP)

Tổng hợp tế bào (Anabolism): Một phần đáng kể (thường khoảng 40-60%) cơ chất hữu cơ và năng lượng ATP thu được từ quá trình dị hóa được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp các thành phần tế bào mới (protein, lipid, carbohydrate, axit nucleic…). Quá trình này dẫn đến sự gia tăng sinh khối (biomass growth).

Phương trình sinh trưởng đơn giản hóa: Chất hữu cơ + O2 + Chất dinh dưỡng (N, P…) → Sinh khối mới (C5H7NO2) + CO2 + H2O + Năng lượng dư thừa.

Yếu tố ảnh hưởng:

Nồng độ DO: Phải đủ để duy trì hô hấp hiếu khí.
Nhiệt độ, pH: Ảnh hưởng đến tốc độ hoạt động của enzyme và vi sinh vật.
Tỷ lệ F/M (Food to Microorganism ratio): Tỷ lệ giữa lượng thức ăn (BOD) và lượng vi sinh vật (MLSS). F/M quá cao có thể gây quá tải, F/M quá thấp có thể dẫn đến hô hấp nội bào (endogenous respiration) và bùn khó lắng.
Chất dinh dưỡng: Cần đủ N và P theo tỷ lệ thích hợp (thường BOD:N:P ≈ 100:5:1) để vi khuẩn tổng hợp tế bào mới.
Chất ức chế: Sự có mặt của các kim loại nặng, hóa chất độc hại…

Kết quả: Giảm mạnh nồng độ BOD và COD trong nước thải. Tuy nhiên, tạo ra một lượng lớn bùn hoạt tính dư cần phải được xử lý và thải bỏ.

2.2. Quá Trình Nitrat Hóa (Nitrification)

Đây là quá trình sinh học quan trọng để loại bỏ Amoni (NH4+-N), một dạng nitơ phổ biến trong nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải công nghiệp. Amoni gây độc cho cá, tiêu tốn oxy của nguồn tiếp nhận và góp phần gây phú dưỡng.

Mục tiêu: Oxy hóa Amoni (NH4+-N) thành Nitrat (NO3–N) thông qua một bước trung gian là Nitrit (NO2-). Nitrat là dạng nitơ ít độc hơn và là tiền chất cần thiết cho quá trình khử nitrat để loại bỏ hoàn toàn Nitơ tổng.

Điều kiện: Quá trình này bắt buộc phải có oxy (hiếu khí). Ngoài ra, cần các điều kiện đặc thù khác:

DO đủ cao: Thường > 1.5 – 2.0 mg/L. DO thấp sẽ ức chế hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa.
Tuổi bùn (SRT) đủ dài: Vi khuẩn nitrat hóa sinh trưởng rất chậm, cần thời gian lưu đủ dài trong hệ thống (thường > 8-15 ngày, phụ thuộc nhiệt độ) để không bị rửa trôi ra ngoài cùng bùn dư.
Nhiệt độ phù hợp: Hoạt động tốt nhất ở 25-30°C, tốc độ giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp (< 15°C).
pH gần trung tính: Khoảng tối ưu 7.0 – 8.0. Quá trình nitrat hóa tạo ra axit (H+), làm giảm pH và độ kiềm, nên cần đủ độ kiềm trong nước thải đầu vào (thường > 50-100 mg/L CaCO3 tùy thuộc nồng độ Amoni).
Không có chất ức chế: Nhạy cảm với một số kim loại nặng và hợp chất hữu cơ.

* Vi sinh vật tham gia: Vi khuẩn tự dưỡng hóa năng (chemoautotrophs), chúng lấy năng lượng từ việc oxy hóa các hợp chất vô cơ (NH4+, NO2-) và sử dụng CO2 hoặc bicarbonate làm nguồn carbon. Quá trình gồm hai bước thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn khác nhau hoạt động nối tiếp:

Oxy hóa Amoni thành Nitrit (Ammonia Oxidation): Thực hiện bởi Vi khuẩn Oxy hóa Amoni (Ammonia-Oxidizing Bacteria – AOB). Chi Nitrosomonas là đại diện điển hình được biết đến nhiều nhất.

Phản ứng: 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O + Năng lượng

Oxy hóa Nitrit thành Nitrat (Nitrite Oxidation): Thực hiện bởi Vi khuẩn Oxy hóa Nitrit (Nitrite-Oxidizing Bacteria – NOB). Chi Nitrobacter được biết đến nhiều, nhưng nghiên cứu gần đây cho thấy Nitrospira thường chiếm ưu thế và quan trọng hơn trong nhiều hệ thống xử lý nước thải.

Phản ứng: 2NO2- + O2 → 2NO3- + Năng lượng

Đặc điểm quan trọng:

Tốc độ sinh trưởng chậm: Đây là lý do chính cần duy trì SRT dài.
Tiêu thụ Oxy lớn: Cần khoảng 4.57 gam O2 để oxy hóa hoàn toàn 1 gam NH4+-N thành NO3–N (bao gồm cả oxy cho quá trình tổng hợp tế bào). Đây là một nhu cầu oxy đáng kể, bổ sung vào nhu cầu oxy cho việc phân hủy BOD/COD.
Tiêu thụ Độ kiềm: Quá trình tạo ra ion H+, làm giảm độ kiềm của nước. Cần khoảng 7.14 gam độ kiềm (tính theo CaCO3) để trung hòa lượng axit tạo ra từ việc oxy hóa 1 gam NH4+-N. Thiếu độ kiềm sẽ làm giảm pH và ức chế nitrat hóa.

Tầm quan trọng: Là bước thiết yếu để loại bỏ độc tính của Amoni và là bước chuẩn bị không thể thiếu cho quá trình loại bỏ Nitơ tổng ra khỏi nước thải thông qua khử nitrat.

Bể xử lý hiếu khí trong sơ đồ công nghệ xử lý nước thải

2.3. Loại Bỏ Phốt Pho Sinh Học Tăng Cường (Enhanced Biological Phosphorus Removal – EBPR)

Phốt pho là một chất dinh dưỡng thiết yếu khác gây ra hiện tượng phú dưỡng. EBPR là một quy trình sinh học thông minh để loại bỏ phốt pho khỏi nước thải hiệu quả hơn nhiều so với mức tiêu thụ thông thường cho việc tăng trưởng tế bào.

Mục tiêu: Tối đa hóa việc hấp thụ và lưu trữ Phốt pho (dưới dạng Orthophosphate, PO43–P) vào bên trong sinh khối vi sinh vật, sau đó loại bỏ lượng sinh khối giàu phốt pho này ra khỏi hệ thống dưới dạng bùn dư.

Điều kiện: Yêu cầu một cấu hình hệ thống đặc biệt, trong đó bùn hoạt tính được luân chuyển tuần tự qua các vùng có điều kiện môi trường khác nhau: bắt buộc phải có vùng Kỵ khí (Anaerobic) và vùng Hiếu khí (Aerobic). Lưu ý: Vùng kỵ khí ở đây có nghĩa là không có cả Oxy (DO ≈ 0) và Nitrat (NO3- ≈ 0), khác với xử lý kỵ khí tổng thể để phân hủy COD.

Vi sinh vật tham gia: Chủ yếu là nhóm Vi khuẩn Tích Lũy Polyphosphate (Phosphorus Accumulating Organisms – PAOs). Chúng là các vi khuẩn dị dưỡng, có khả năng tích lũy lượng lớn phốt pho nội bào dưới dạng hạt Polyphosphate (Poly-P). Candidatus Accumulibacter phosphatis là nhóm PAO được nghiên cứu nhiều nhất và được coi là chủ đạo trong hầu hết các hệ thống EBPR.

Cơ chế hoạt động (Chu trình Kỵ khí – Hiếu khí): Sự kỳ diệu của EBPR nằm ở khả năng trao đổi chất độc đáo của PAOs trong các điều kiện môi trường khác nhau:

Trong Vùng Kỵ Khí (Anaerobic Zone):

PAOs sử dụng năng lượng dự trữ nội bào (từ việc phân giải các hạt Poly-P đã tích lũy trước đó) để hấp thụ các Axit Béo Bay Hơi dễ phân hủy (VFAs), chủ yếu là axetat và propionate, từ nước thải. VFAs là nguồn carbon và năng lượng thiết yếu cho PAOs. Nếu nước thải đầu vào không đủ VFA, cần có giai đoạn lên men sơ bộ hoặc bổ sung VFA từ bên ngoài.
Đồng thời với việc phân giải Poly-P để lấy năng lượng, PAOs giải phóng một lượng lớn Orthophosphate (PO43–P) vào môi trường nước xung quanh.
Lượng VFA hấp thụ được sẽ được PAOs chuyển hóa và lưu trữ bên trong tế bào dưới dạng các hạt Polyhydroxyalkanoates (PHA) – một dạng polymer dự trữ carbon và năng lượng.
Tóm tắt pha kỵ khí: Phân giải Poly-P → Giải phóng P → Hấp thụ VFA → Tổng hợp PHA.

Trong Vùng Hiếu Khí (Aerobic Zone):

Với sự hiện diện của oxy, PAOs sử dụng nguồn PHA đã dự trữ làm nguồn carbon và năng lượng thông qua quá trình hô hấp hiếu khí.
Năng lượng ATP dồi dào thu được từ quá trình oxy hóa PHA được PAOs sử dụng cho các hoạt động sống, sinh trưởng và đặc biệt là hấp thụ mạnh mẽ Orthophosphate (PO43–P) từ môi trường nước.
Quan trọng là: Lượng P hấp thụ trong pha hiếu khí vượt trội hơn đáng kể so với lượng P đã giải phóng ở pha kỵ khí.
Lượng P dư thừa này được PAOs lưu trữ dưới dạng các hạt Poly-P nội bào.
Tóm tắt pha hiếu khí: Oxy hóa PHA → Tạo năng lượng → Hấp thụ P (lượng lớn) → Tổng hợp Poly-P → Sinh trưởng.

Kết quả: Nồng độ Phốt pho hòa tan trong nước thải giảm xuống mức rất thấp. Lượng phốt pho này được “cô đặc” trong sinh khối PAOs. Việc loại bỏ bùn dư giàu phốt pho ra khỏi hệ thống chính là cách để loại bỏ P ra khỏi dòng nước.

Yếu tố ảnh hưởng:

Nguồn VFA đủ trong pha kỵ khí: Yếu tố quan trọng bậc nhất.
Điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt: Không có DO và NO3- trong vùng kỵ khí (Nitrat cũng có thể bị một số PAOs hoặc vi khuẩn khác sử dụng làm chất nhận điện tử, cạnh tranh VFA và làm giảm hiệu quả giải phóng P).
DO đủ trong pha hiếu khí.
Tuổi bùn (SRT): Cần đủ dài để PAOs phát triển nhưng không quá dài để tránh tích lũy các vi khuẩn cạnh tranh không mong muốn.
Sự cạnh tranh từ GAOs (Glycogen Accumulating Organisms): Nhóm vi khuẩn này cũng có thể hấp thụ VFA trong pha kỵ khí nhưng tích lũy glycogen thay vì PHA và không tích lũy P dư thừa trong pha hiếu khí. Sự phát triển mạnh của GAOs sẽ làm giảm hiệu quả EBPR.

2.4 Mối Liên Hệ Với Khử Nitrat (Denitrification)

Mặc dù khử nitrat là một quá trình thiếu khí (Anoxic), nó thường được tích hợp chặt chẽ vào các hệ thống xử lý hiếu khí để đạt được mục tiêu loại bỏ Nitơ tổng (Total Nitrogen – TN). Sau khi Amoni được chuyển hóa thành Nitrat ở bể hiếu khí (nitrat hóa), cần có một giai đoạn thiếu khí để chuyển hóa Nitrat này thành khí Nitơ (N2) vô hại bay lên.

Điều kiện: Thiếu khí (DO ≈ 0 nhưng có mặt NO3-) và cần nguồn carbon hữu cơ (chất cho điện tử).
Vi sinh vật: Vi khuẩn dị dưỡng tùy nghi (có thể sống hiếu khí hoặc thiếu khí).
Cơ chế: NO3- bị khử tuần tự thành NO2-, NO, N2O và cuối cùng là N2.
Thiết kế: Bể thiếu khí thường được đặt trước bể hiếu khí (quy trình Modified Ludzack-Ettinger – MLE) hoặc cả trước và sau bể hiếu khí (quy trình Bardenpho 4-5 giai đoạn), kết hợp với dòng tuần hoàn nội bộ để đưa Nitrat từ bể hiếu khí về bể thiếu khí.

Việc kết hợp nitrat hóa (hiếu khí) và khử nitrat (thiếu khí) là phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay để loại bỏ Nitơ bằng con đường sinh học.

3. Các Yếu Tố Vận Hành Chính Ảnh Hưởng Đến Xử Lý Hiếu Khí

Để các cơ chế sinh hóa phức tạp trên diễn ra hiệu quả, việc kiểm soát các yếu tố vận hành là rất quan trọng:

Oxy Hòa Tan (DO): Đảm bảo cung cấp đủ và kiểm soát ở mức phù hợp cho từng vùng chức năng (cao cho nitrat hóa, thấp hoặc bằng 0 cho thiếu khí/kỵ khí).
Tuổi Bùn (SRT – Solids Retention Time): Thời gian lưu trung bình của sinh khối trong hệ thống. Là thông số quan trọng nhất quyết định sự tồn tại của các vi sinh vật phát triển chậm như vi khuẩn nitrat hóa và PAOs. SRT dài hơn thường cần cho loại bỏ dinh dưỡng.
Thời Gian Lưu Nước (HRT – Hydraulic Retention Time): Thời gian trung bình nước thải lưu lại trong các bể xử lý. Ảnh hưởng đến mức độ xử lý và kích thước yêu cầu của công trình.
Tỷ lệ F/M (Food to Microorganism Ratio): Tỷ lệ giữa lượng “thức ăn” (BOD) nạp vào và lượng vi sinh vật (MLSS) có trong bể hiếu khí. Ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng, hiệu quả xử lý, nhu cầu oxy và đặc tính lắng của bùn.
Nhiệt Độ: Ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ của mọi phản ứng sinh hóa. Nhiệt độ thấp làm giảm đáng kể tốc độ nitrat hóa và các quá trình khác.
pH và Độ Kiềm: Cần duy trì pH trong khoảng tối ưu (thường 6.5 – 8.0). Đảm bảo đủ độ kiềm là rất quan trọng cho quá trình nitrat hóa.
Tuần Hoàn Bùn (Return Activated Sludge – RAS): Dòng bùn lắng từ bể lắng thứ cấp được bơm tuần hoàn trở lại bể hiếu khí để duy trì nồng độ sinh khối (MLSS) mong muốn và “gieo” vi sinh vật cho nước thải mới vào.
Đặc Tính Nước Thải Đầu Vào: Nồng độ và thành phần chất hữu cơ, hàm lượng Amoni, Phốt pho, độ kiềm, sự hiện diện của các chất độc hại… đều ảnh hưởng lớn đến thiết kế và vận hành.

Kết Luận

Xử lý nước thải hiếu khí hay xử lý hiếu khí là một lĩnh vực khoa học và kỹ thuật phức tạp, dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình sinh hóa và hoạt động của các quần thể vi sinh vật đa dạng. Từ việc phân hủy các chất hữu cơ cơ bản để loại bỏ BOD/COD, đến các quá trình chuyên biệt hơn như nitrat hóa để xử lý Amoni và loại bỏ phốt pho sinh học tăng cường (EBPR), tất cả đều diễn ra dưới sự “chỉ huy” của các nhóm vi sinh vật chuyên trách trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ về oxy và các yếu tố khác.

Các giai đoạn chính bao gồm quá trình dị hóa hiếu khí sinh năng lượng và sinh khối, quá trình tự dưỡng hóa năng của vi khuẩn nitrat hóa qua hai bước để tạo thành Nitrat, và chu trình kỵ khí-hiếu khí độc đáo của vi khuẩn PAOs để tích lũy và loại bỏ Phốt pho. Bên cạnh đó, quá trình khử nitrat thiếu khí thường được tích hợp để hoàn thiện việc loại bỏ Nitơ tổng.

Mặc dù đòi hỏi năng lượng đáng kể cho việc sục khí và tạo ra lượng bùn dư cần xử lý, xử lý hiếu khí vẫn là công nghệ nền tảng, mạnh mẽ và linh hoạt, có khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước đầu ra ngày càng nghiêm ngặt. Việc nắm vững cơ chế sinh hóa và kiểm soát tốt các thông số vận hành chính như DO, SRT, pH, nhiệt độ… là chìa khóa để khai thác tối đa hiệu quả của phương pháp xử lý quan trọng này, góp phần bảo vệ nguồn nước và môi trường sống của chúng ta.