Đây là bể xử lý sử dụng chủng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất thải.
Các vi sinh vật tham gia trong bùn hoạt tính: Pseudomonas, Achromobacter, Desulfovibrio và Nitrosomonas, Notrobacter, cùng một số protozoa… Nhiệm vụ chính của bể là nitrat hóa và loại bỏ chất hữu cơ có trong nước thải
2.2.3.1. Quá trình loại bỏ chất hữu cơ
Trong bể này, các vi sinh vật (còn gọi là bùn hoạt tính) tồn tại ở dạng lơ lửng hay dính bám sẽ hấp thụ oxy, chất hữu cơ (chất ô nhiễm) và sử dụng chất dinh dưỡng là nitơ và photpho để tổng hợp tế bào mới, CO2, H2O và giải phóng năng lượng. Ngoài quá trình tổng hợp tế bào mới, tồn tại phản ứng phân hủy nội sinh (các tế bào vinh sinh vật già sẽ tự phân hủy) làm giảm số lượng bùn hoạt tính. Tuy nhiên quá trình tổng hợp tế bào mới sẽ cung cấp lại số tế bào vi sinh vật đã mất đi. Ở giai đoạn ổn định, lượng tế bào chết đi sẽ bằng lượng tế bào mới sinh ra.
Các phản ứng chính xảy ra trong bể hiếu khí như:
- Quá trình Oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ:
Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + năng lượng (2.19) - Quá trình tổng hợp tế bào mới:
Chất hữu cơ + O2 + NH3 → Tế bào vi sinh vật + CO2 + H2O+năng lượng (2.20) - Quá trình phân hủy nội sinh:
C5H7O2N + O2 → CO2 + H2O + NH3 + Energy (2.21)
Nồng độ bùn hoạt tính duy trì trong bể thường khoảng: 3.500 đếm 6.000 mg/l với bể sinh trưởng lơ lửng, tỷ lệ tuần hoàn bùn 100%.
Hệ vi sinh vật trong bể hiếu khí được nuôi cấy bằng chế phẩm men vi sinh hoặc từ bùn hoạt tính. Thời gian nuôi cấy một hệ vi sinh vật hiếu khí từ 45 đến 60 ngày. Oxy cấp vào bể bằng máy thổi khí đặt cạn hoặc máy sục khí đặt chìm. Để hiệu quả của bể phản ứng cần phải đảm bảo các điều kiện tối ưu của quá trình hiếu khí.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men:
- pH từ 6,5 đến 8,5, pH tối ưu từ 6,5 – 7,5.
- Nhiệt độ từ 6 – 37oC.
- Vì đây là quá trình hiếu khí, oxi được sử dụng là chất nhận điện tử, DO của bể phản ứng từ 4 – 7 mg/l.
- Chất dinh dưỡng cần phải được cung cấp đủ để tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển tốt nhất.
2.2.3.2. Quá trình nitrat hóa
Quá trình nitrát hoá là quá trình ôxy hoá sinh hoá nitơ của các muối amoni, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dưới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện thích ứng. Hai nhóm vi khuẩn quan trọng trong quá trình nitrat hoá là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có : Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng là vi khuẩn nitrat hoá.
Cơ chế của quá trình :
Trong quá trình nitrat hoá, NH4+ bị oxi hoá theo 2 giai đoạn:
NH4+ + 1,5 O2 Nitrosomon as 2H+ + H2O + NO2- (2.22) NO2- + 0,5 O2 Nitrobacte rNO3 (2.23)
Giai đoạn đầu tiên (2.22) được gọi là quá trình nitrit hóa, giai đoạn tiếp theo được gọi là giai đoạn nitrat hóa. Năng lượng sinh ra từ phản ứng (2.22) và (2.23) tương ứng được cung cấp cho Nitrosomonas và Nitrobacter để tổng hợp sinh khối.
Trong đó, phản ứng (2.22) sinh ra khoảng 5884 kcal/mol NH3, phản ứng (2.23) sinh ra 15,420,9 kcal/mol NH3. Do đó, Nitrosomonas nhận được nhiều năng lượng hơn Nitrobacter.
Tổng hợp quá trình chuyển hoá NH4+ thành NO3-. NH4+ + 2 O2 = NO3
+ 2 H + H2O (2.24)
Sử dụng công thức kinh nghiệm C5H7NO2 biểu diễn tế bào vi khuẩn được tổng hợp, có thể kết hợp phương trình oxi hóa NH4+ , NO2- với sự tạo thành Nitrosomonas và Nitrobacter tương ứng như phương trình 2.25 và 2.26
15 CO2 + 13 NH4+ Nitrosomonas 10 NO2- + 3 C5H7NO2 + 23 H+ + 4 H2O (2.25) 5 CO2 + NH4+ + 10 NO2- + 2 H2O Nitrobacter10 NO3- + C5H7NO2 + H+ (2.26)
Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới quá trình nitrat hóa :
o Ảnh hưởng của nhiệt độ : Nhiệt độ tối ưu cho quá trình sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hoá là 28360C, trong đó khoảng nhiệt độ chấp nhận được là từ 5500C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ nhỏ hơn 150C tốc độ nitrat hoá diễn ra chậm và hầu như vi khuẩn nitrat hoá không còn sinh trưởng ở nhiệt độ nhỏ hơn 40C. Nhiệt độ quá cao làm biến tính protein, gây chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ gây chết vi khuẩn Nitrosomonas ~55 580 C .
o Ảnh hưởng của DO : Vì quá trình nitrat hoá là quá trình hiếu khí nên đòi hỏi sự có mặt của oxi. Theo tính toán ở phần trên, DO = 4,6 mg/mg NH4-N chỉ
là vừa đủ để sử dụng cho quá trình nitrat hoá. Trong hầu hết các hệ thống xử lý, oxi còn được sử dụng để oxi hoá các chất khác ngoài NH3 trong nước thải, do đó tổng lượng oxi thực tế là cao hơn. Nồng độ oxi hoà tan có ảnh hưởng quan trọng tới tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hoá và tốc độ quá trình nitrat hoá trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt.
o Ảnh hưởng của pH : Theo một số tài liệu, giá trị pH tối ưu cho quá trình nitrat hoá là trong khoảng 89. Thông thường tốc độ quá trình nitrat hóa giảm khi pH giảm. Trong trường hợp kết hợp quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa thì pH tối ưu là khoảng 78.
o Muối: Sự có mặt của muối có thể ảnh hưởng đến vi khuẩn và ức chế hoạt tính của chúng. Theo Moussa và cộng sự (năm 2006) hoạt tính của vi khuẩn nitrat hóa sẽ bị giảm 95% ở nồng độ 40gCl-/l.
o Các chất độc khác: Vi khuẩn nitrat hóa còn bị ảnh hưởng bởi những chất độc vô cơ cũng như các kim loại nặng. Theo Skinner và Walker (1961) thì vi khuẩn oxi hóa NH4+ sẽ bị ức chế khi nồng độ niken đạt 0,25 mg/l, crom ở 0,25 mg/l và đồng ở 0,1 mg/l. Ngoài ra vi khuẩn nitrat hóa cũng bị ức chế bởi nồng độ FA và FNA….