Dựa trên nguyên lý làm việc của aerotannk khuấy đảo hồn chỉnh, người ta thay khơng khí nén bằng cách sục oxy tinh khiết. Bể phản ứng thường có nhiều ngăn, kín, và cung cấp các dịng nước giàu oxy ở dạng khí hịa trộn trong chất lỏng.
Dịng nước thải vào và dịng bùn hoạt tính tuần hồn chỉ được đưa vào ở ngăn đầu tiên cùng với oxy (thường tinh khiết 98%). Ở mỗi ngăn có sự pha trộn hồn tồn trong từng ô. Sự pha trộn các chất rắn lơ lửng và oxy hòa tan được cung cấp cho mỗi ngăn. Các loại máy móc sử dụng trong loại bể này là: máy thổi khí bề mặt tốc độ nhỏ và tuabin đặt trong nước. Việc sử dụng nguồn oxy có độ tinh khiết cao sẽ có tác dụng làm gia tăng áp suất oxy tham gia trong mỗi ngăn, vì vậy sẽ làm tăng tỷ lệ chuyển hóa thể tích oxy hơn so với hệ thống sử dụng khơng khí. Điều này sẽ làm cho thể tích bể phản ứng sinh hóa cần sử dụng nhỏ lại, vì vậy thời gian lưu nước chỉ cịn khoảng 2 - 4 giờ. Thời gian lưu bùn tối thiểu từ 1 - 2 ngày thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, cịn đối với nước thải cơng nghiệp cần thời gian lưu bùn dài hơn.
* Bể hiếu khí gián đoạn – SBR (Sequencing Batch Reactor)
Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn (do q trình làm thống và lắng trong được thực hiện trong cùng 1 bể). Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1- làm đầy, 2- sục khí (khử BOD), 3- lắng trong, 4- xả cặn dư và xả nước ra, 5- nghỉ. Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác.
Pha làm đầy có thể là các trạng thái: tĩnh, khuấy trộn hoặc thơng khí, tùy thuộc vào đối tượng cần xử lý. Trạng thái tĩnh là do năng lượng đầu vào thấp và nồng độ các
chất nền cao ở cuối giai đoạn. trạng thái khuấy trộn là do có sự khử nitrat (khi có sự hiện diện của nitrat) các chất lơ lửng sẽ làm giảm nhu cầu oxy và năng lượng đầu vào, và cần phải có điều kiện thiếu hoặc kỵ khí cho q trình loại bỏ sinh hóa P. Trạng thái thơng khí là do các phản ứng hiếu khí ban đầu, làm giảm thời gian tuần hoàn và giữ nồng độ chất nền mức thấp, điều này là quan trọng nếu tồn tại thành phần các chất hữu cơ dễ bị phân hủy với nồng độ độc tính cao.
Nếu khơng có phản ứng sinh hóa xảy ra trong suốt pha làm đầy tĩnh, nồng độ chất nền trong bể SBR sẽ đạt tối đa ở cuối pha này. Nếu trạng thái khuấy trộn được chọn, nồng độ chất nền, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat sẽ thay đổi trong suốt q trình. Khi khơng có oxy hiện diện, nitrat sẽ trở thành tác nhân nhận điện tử và phản ứng sinh hóa thiếu khí sẽ làm giảm chất nền. Cuối cùng, sự lên men hoặc các phản ứng sinh hóa kỵ khí sẽ bắt đầu một khi oxy và nitrat được lấy hết ra. Trạng thái thơng khí được tiến hành khi khí được cung cấp trong suốt q trình làm đầy. tốc độ phân hủy chất nền được giới hạn bởi tốc độ phản ứng sinh hóa là hàm của sinh khối, và nồng độ chất nền khi nồng độ oxy hòa tan cao hơn so với nồng độ tối thiểu, hoặc là hàm của tốc độ với oxy được cung cấp từ thiết bị thổi khí. Trong trường hợp đầu tiên, kích thước bể SBR thường nhỏ hơn, nhưng thiết bị thổi khí lớn hơn và năng lượng cung cấp lớn hơn. Trong trường hợp thứ hai, địi hỏi có bể phản ứng lớn hơn, nhưng hệ thống thơng gió nhỏ hơn và năng lượng cần cung cấp ít hơn. Khi các phản ứng sinh hóa bị giới hạn bởi tốc độ thơng gió, nồng độ oxy hòa tan tiến gần tới 0.
1.2.7.3.2. Cơng nghệ sinh học kỵ khí a. Cơ sở lý thuyết
Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kị khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vơ cơ có trong nước thải, ở điều kiện khơng có oxi hịa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (CO2, CH4). Q trình phân hủy kị khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát: (CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh.[8]
Q trình sinh học kị khí có thể xử lý nước thải có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao BOD ≥ 10 – 30 (g/l). Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ơ nhiễm hữu cơ thành khí sinh học. Một cách tổng qt, q trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:[10]
Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử; Giai đoạn 2: Acid hóa;
Giai đoạn 3: Acetate hóa; Giai đoạn 4: Methane hóa.
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2,
formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
- 4H2 + CO2 => CH4 + 2H2O
- 4HCOOH => CH4 + 3CO2 + 2H2O - CH3COOH => CH4 + CO2
- 4CH3OH => 3CH4 + CO2 + 2H2O
- 4(CH3)3N + H2O => 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia q trình xử lý kỵ khí thành:
- Q trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như q trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), q trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dịng nước đi từ dưới lên (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB);
- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như q trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process).