Hệ xử lý photpho có cấu trúc đơn giản: xử lý yếm khí đặt trước xử lý hiếu khí, cả hai hệ xử lý có chung hệ bùn. Dòng bùn quay vòng cùng với nước thải được đưa về bể xử lý yếm khí. Sinh khối được vận chuyển liên tục và kế tiếp nhau qua môi trường yếm khí và hiếu khí. Trong môi trường yếm khí, nơi giàu chất hữu cơ nhất trong hệ xử lý, vi sinh vật có điều kiện hấp thu chất hữu cơ và giải phóng photpho dưới dạng photphat đơn, trong môi trường hiếu khí chúng tích lũy photphat tan trong nước thải. Do thay đổi về điều kiện cơ chất từ vùng yếm khí sang hiếu khí nên bề yếm khí còn đóng vai trò của bể chọn lọc vi sinh: thúc đẩy sự phát triển của vi
Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí Bùn thải
31
sinh tích lũy photpho và hạn chế vi sinh dạng sợi phát triển, tạo điều kiện lắng bùn tốt hơn trong bể lắng thứ cấp
Thông thường thời gian lưu thủy lực trong bể yếm khí có ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình giải phóng photpho, quá trình này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng của nước thải và các thông số vận hành: bản chất và nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan, nitrat, pH, nhiệt độ. Vì lý do đó, thiết kế hệ xử lý photpho đạt hiệu quả cao là việc không dễ dàng. Trong thiết kế cũng phải đảm bảo cho yếu tố và điều kiện vận hành sao cho điều kiện yếm khí được duy trì, ví dụ giảm lượng oxy hòa tan từ dòng vào và từ dòng hồi lưu bùn. Quá trình giải phóng photpho cũng xảy ra trong bể lắng và cũng cần được hạn chế khi quay vòng bùn. Do biến động của nhiều yếu tố nên hệ xử lý được thiết kế rất cần yếu tố linh hoạt trong vận hành, đó chính là hệ thiết kế đúng, tối ưu.
Mục đích của hệ xử lý photpho là tách loại photpho và chất hữu cơ trong dòng thải ra với một mức chất lượng nào đó và tạo điều kiện để bùn lắng tốt nhằm giảm thiểu mật độ sinh khối trong dòng thải. Hệ xử lý photpho có thể là hệ mới xây dựng hoặc được cải tạo từ các hệ xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải hiện hành, vì vậy việc thiết kế đòi hỏi gọn, ít thay đổi cơ cấu của hệ cũ. Ví dụ với hệ xử lý bùn hoạt tính theo kỹ thuật dòng lý tưởng khi chuyển đổi một phần thể tích bể sang chế độ hoạt động yếm khí thì có thể xây dựng vách ngăn để tách riêng hai vùng, ngăn chặn sự lưu thông ngược lại từ vùng hiếu khí sang yếm khí. Tất nhiên, ngay trong vùng yếm khí cũng cần được khuấy trộn để tạo điều kiện cho sinh khối ở trạng thái lơ lửng. Hệ được bố trí như vậy kèm thêm các điều kiện khác như cấp đầy đủ chất hữu cơ thích hợp, kiểm soát được oxy hòa tan, nitrat, nitrit thì hệ sẽ hoạt động có hiệu quả.
Một số mô hình có thể sử dụng để tính toán thiết kế hệ xử lý photpho: ASM2, ASM2d (IWA 1994, 2000) hoặc EAWAG Bio - P module (phiên bản của ASM3), mô hình kinh nghiệm.
32
Để có thể thiết kế hiệu quả một hệ thống xử lý photpho, yếu tố cực kỳ quan trọng là đánh giá đầy đủ các đặc trưng của nước thải cần xử lý, đặc biệt là nguồn chất hữu cơ trong đó mà vi sinh vật có thể hấp thu trong môi trường yếm khí.
Để hệ xử lý photpho hoạt động có hiệu quả cần đáp ứng các điều kiện: - Điều kiện môi trường yếm khí, hiếu khí kế tiếp nhau.
- Đủ lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể hấp thu. - Lượng photpho trong nước thải cao hơn mức nhu cầu tổng hợp tế bào vi sinh. - Đủ hàm lượng kali và magie.
- Vùng pH thích hợp.
Đó là các điều kiện để vi sinh vật PAO phát triển trong môi trường yếm khí, tất nhiên để đạt tới mức độ ổn định về mật độ vi sinh vật cần có thời gian. Dòng hồi lưu bùn từ bể lắng thứ cấp về bể yếm khí cần được hòa trộn liên tục với dòng đầu vào. Sau một thời gian nhất định, mật độ vi sinh PAO phát triển đạt mức cực đại.
Sự biến động của tập đoàn vi sinh tích lũy photpho
Trong sinh khối của hệ xử lý tồn tại nhiều tập đoàn vi sinh vật, loại có mật độ (tỷ lệ) cao nhất trong sinh khối là loại có tốc độ phát triển nhanh nhất trong điều kiện vận hành của hệ. Dưới điều kiện hiếu khí, vi sinh vật PAO không phát triển, mật độ thấp và vì vậy hệ xử lý bùn hoạt tính thông dụng không có khả năng “tăng cường xử lý photpho”. Vi sinh vật PAO khi gặp điều kiện yếm khí và chất hữu cơ sẽ sử dụng năng lượng tích trữ trong liên kết photphat (Adenosin triphotphat) để cô lập (bắt giữ) và polyme hóa một số các loại chất hữu cơ, tạo ra các phân tử polyme (polyhydroxybutyrate, PHB, polyhydroxyvalerate hoặc gọi chung là polyhydroxyalkanoate) và tích lũy chúng trong tế bào. Loại vi sinh vật khác trong sinh khối không có khả năng tích lũy chất hữu cơ nên không thể phát triển trong điều kiện đó. Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối tỉ lệ thuận với lượng chất hữu cơ được hấp thụ theo cơ chế trên và vì vậy trở thành yếu tố kiểm soát mật độ vi sinh PAO cùng với photpho.
33
Tỉ lệ vi sinh PAO trong sinh khối phụ thuộc vào tỉ lệ giữa chất hữu cơ và photphat trong môi trường yếm khí, tỉ lệ trên càng lớn thì sự phát triển của PAO càng thuận lợi. Chất hữu cơ dễ hấp thụ đối với vi sinh PAO là họ chất axit béo dễ bay hơi (VFA), họ chất trung gian của quá trình lên men yếm khí.
Cơ chất trong môi trƣờng yếm khí
Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý photpho là lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật PAO có khả năng hấp thụ. Nồng độ chất hữu cơ trước hết phải đáp ứng đủ cho quá trình khử oxy (từ dòng vào và hồi lưu bùn) cũng như các chất oxy hóa khác có mặt như NO3
-
, NO2- vì vi sinh vật ưa sử dụng cơ chất để chuyển hóa thành năng lượng hơn là tích lũy, đồng nghĩa với tốc độ chuyển hóa cơ chất để sản xuất năng lượng xảy ra nhanh hơn, phần chất hữu cơ dư sau đó mới được vi sinh PAO sử dụng cho mục đích tích lũy. Bản chất của chất hữu cơ cũng có vai trò quan trọng, khác với phần lớn các chủng loại vi sinh khác, chất hữu cơ sau khi được hấp thụ còn được chuyển hóa thành polyme vì vậy chất hữu cơ không những cần phải có tính năng “hấp thụ được” mà còn phải có đặc trưng “dễ polyme hóa”. Hợp chất axit béo dễ bay hơi có mạch carbon từ 2 - 5 nguyên tử được coi là thích hợp để vi sinh PAO hấp thụ, tuy nhiên hiệu suất hấp thu và giải phóng photphat của từng cấu tử là khác nhau. Trình bày hiệu quả hấp thu photpho trong giai đoạn hiếu khí R(P/COD) và tỉ lệ COD sử dụng để loại bỏ photpho R (COD/P) trong cả hệ. Phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ (tính theo COD) trong điều kiện: thời gian lưu tế bào là 13 ngày, xử lý hiếu khí với nồng độ oxy tan cao, COD sau xử lý rất thấp:
Bảng 2. Ảnh hƣởng của bản chất cơ chất lên hiệu quả xử lý photpho Cơ chất R (P/COD), g/g R (COD/P), g/g
Axit formic 0
34 Axit propionic 0,10 24,4 Axit butyric 0,12 27,5 Axit isobutyric 0,14 29,1 Axit valeric 0,15 66,1 Axit isovaleric 0,24 18,8
Nước thải sinh hoạt
0,05 102
Axit formic tuy dễ hấp thụ nhưng khó polyme hóa nên không có tác dụng tích lũy trong vi sinh PAO, loại axit có từ 2 – 5 nguyên tử carbon tỏ ra thích hợp, trong đó axit axetic có hiệu quả cao nhất và rất may mắn lại là thành phần chủ yếu của quá trình lên men yếm khí chất hữu cơ. Thật ra các thành phần chất hữu cơ trong đều là sản phẩm của quá trình lên men, tỷ lệ của từng hợp chất phụ thuộc vào nguồn hữu cơ nguyên liệu. Từ số liệu của bảng 3 cho thấy chỉ có axit valeric trong số các VFA là có tỉ lệ sử dụng cao, tức là hiệu suất giải phóng photpho thấp: 68 g axit valeric tính theo COD để giải phóng 1 g photpho, đó cũng là số liệu thường thấy đối với các hệ xử lý nước thải (50 : 1) sinh hoạt.
Sự hình thành các axit béo dễ bay hơi xảy ra không những tại các bể xử lý yếm khí mà còn xảy ra tại các cống rãnh thu gom nước thải, đặc biệt là nước thải đô thị với thời gian lưu tương đối dài miễn là không (ít) có mặt của oxy hòa tan và nitrat. Đó là điều kiện thuận lợi để tiết kiệm chi phí xây dựng (thể tích) bể xử lý yếm khí. Quá trình lên men yếm khí và hàm lượng VFA hình thành phụ thuộc vào tỉ lệ
35
BOD/COD, trong thành phần COD bao gồm cả COD không tan có nguồn gốc từ cặn hữu cơ không tan trong nước thải.
Số liệu thường được chấp nhận là lượng chất hữu cơ trong bể xử lý yếm khí phải lớn hơn 25 mg/l tính theo VFA mới có khả năng duy trì quá trình hoạt động của vi sinh PAO. Khi nguồn hữu cơ cao hơn giá trị trên sẽ tăng cường hiệu quả giải phòng photpho và tích lũy chất hữu cơ trong môi trường yếm khí và tích trữ photpho trong môi trường hiếu khí sau đó, hiệu quả tiếp tục tăng đến một giá trị nhất định đối với một tỉ lệ VFA/P, giá trị VFA/P tối ưu phụ thuộc vào thành phần của VFA. Trên mức VFA/P tối ưu, khả năng tích lũy photpho của vi sinh không tăng tiếp tục và BOD của dòng ra khỏi bể yếm khí tăng theo. BOD vào bể hiếu khí cao sẽ thúc đẩy sự phát triển của loại vi sinh dị dưỡng không có khả năng tích lũy photpho, làm giảm mật độ (tỷ lệ) của vi sinh PAO trong sinh khối, kéo theo hàm lượng photphat trong bể hiếu khí giảm. Tuy vậy có những trường hợp cho thấy: khi nồng độ axit axetic cao hơn 400 mg/l thì hiệu quả xử lý photpho của hệ giảm.
Lƣợng photpho dƣ
Thiếu photpho cũng có ảnh hưởng tiêu cực như thiếu chất hữu cơ. Thực tế vận hành cho thấy luôn thiếu một trong hai yếu tố trên. Tất nhiên hệ chỉ hoạt động khi hàm lượng photpho dư so với nhu cầu tổng hợp tế bào, vì trong trường hợp thiếu hay vừa đủ photpho thì hệ xử lý photpho là không cần thiết.
Magie và kali
Hai loại nguyên tố vi lượng quan trọng đối với vi sinh PAO là magie và kali. Hai loại nguyên tố trên thường đáp ứng nhu cầu cho vi sinh trong nước thải sinh hoạt, chỉ phải bổ xung đối với một số loại nước thải công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Canxi không phải là yếu tố đặc biệt đối với vi sinh PAO. Tỷ lệ Mg/K cần thiết biến đổi trong khoảng rộng, rất có thể chúng thay thế được lẫn cho nhau. Hệ xử lý photpho sẽ không hoạt động khi vắng mặt hai yếu tố trên hoặc
36
có mặt nhưng với nồng độ thấp. Tỉ lệ giữa [K]: [P] 0,356 và [Mg]: [P] 0,25 (tính theo mol) có thể là thích hợp.
Khoảng pH hoạt động
Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình xử lý photpho cho thấy, hệ không hoạt động khi pH < 5,4. Các nghiên cứu trong vùng pH cao không được thực hiện, tuy nhiên hệ có thể hoạt động trong vùng pH = 8,5 – 9,0, tất nhiên trong vùng pH đó photphat dễ bị kết tủa làm giảm nồng độ photphat tan.