sinh học là các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí, tùy nghi. Các vi khuẩn hiếu khí được taộ trung ở màng lớp ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là màng sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng bám dính).
Phương pháp này sử dụng khả năng sống, hoạt động của vi sinh vật để phân hủy những chất bẩn hữu cơ trong nước thải. Các sinh vật sử dụng các chất khoáng và hữu cơ để làm dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng chúng nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng sinh sản nên sinh khối tăng lên.
Quá trình sau là quá trình khoáng hóa chất hữu cơ còn lại thành chất vô cơ (sunfit, muối amon, nitrat…), các chất khí đơn giản (CO2, N2,…) và nước. Quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa.
Căn cứ vào hoạt động của vi sinh vật có thể chia phương pháp sinh học thành 3 nhóm chính như sau:
Phương pháp hiếu khí
Phương pháp kỵ khí
Phương pháp thiếu khí
Phương pháp hiếu khí
Phương pháp hiếu khí dựa trên nguyên tắc là các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy.
Chất hữu cơ + O2 → H2O + CO2 + NH3 + ..…
Các phương pháp xử lý hiếu khí thường hay sử dụng: Phương pháp bùn hoạt
tính: Dựa trên quá trình sinh trưởng lơ lững của vi sinh vật. Và phương pháp lọc sinh học: Dựa trên quá trình sinh trưởng bám dính của vi sinh vật.
Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành các bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lững trong nước (cặn lắng chiếm khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo bông, nếu hiếu khí bằng thổi khí và khuấy đảo đầy đủ trong thời gian ngắn thì con số này kgoảng 30%, thời gian dài khoảng 35%, kéo dài tới vài ngày có thể tới 40%). Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 - 100µm. Bùn hoạt tính có khả năng hấp phụ (trên bề mặt bùn) và oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải với sự có mặt của oxy.
Quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm các bước
Giai đoạn khuếch tán và chuyển chất từ dịch thể (nước thải) tới bề mặt các tế bào vi sinh vật.
Hấp phụ: khuếch tán và hấp phụ các chất bẩn từ bề mặt ngoài các tế bào qua màng bán thấm.
Quá trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp phụ ở trong tế bào vi sinh vật sinh ra năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào.
Các công trình bùn hoạt tính
Trong điều kiện tự nhiên − Cánh đồng lọc − Hồ hiếu khí
Trong điều kiện nhân tạo:
− Bể hiếu khí với bùn hoạt tính − Mương oxy hóa
Các công trình lọc sinh học:
Trong điều kiện tự nhiên: − Cánh đồng tưới
Trong các công trình nhân tạo: − Bể lọc sinh học nhỏ giọt. − Bể lọc sinh học cao tải. − Đĩa quay sinh học (RBC)
Phương pháp kỵ khí
Quá trình này do một quần thể vi sinh vật (chủ yeếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng sinh ra là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2,… trong đó có tới 60% là CH4. Vì vậy quá trình này còn được gọi là lên men Metan và quần thể vi sinh vật được gọi là các vi sinh vật Metan.
Quá trình lên men Metan gồm 3 giai đoạn:
- Pha phân hủy: Chuyển các chất hữu cơ thành hợp chất dễ tan trong nước. - Pha chuyển hóa axit: các vi sinh vật tạo thành axit gồm cả vi sinh vật kỵ khí
và vi sinh vật tùy nghi. Chúng chuyển hóa các sản phẩm phân hủy trung gian thành các axít hữu cơ bậc thấp, cùng các chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, axit béo, rượu, axit amin, glyxerin, H2S, CO2, H2.
- Pha kiềm: Các vi sinh vật Metan đích thực mới hoạt động. Chúng là những vi sinh vật kỵ lhí cực đoan, chuyển hóa các sản phẩm của pha axit thành CH4
và CO2. Các phản ứng của pha này chuyển pH của môi trường sang kiềm.