SRT là yếu tố quan trọng trong quá trình bùn hoạt tính, vì nóảnh hưởng đến quá trình xử lý, thể tích bể, lượng bùn sinh ra, nhu cầu oxy. Thời gian lưu bùnđược xác định bằng việc tách bùn thải bỏ trong bể làm thoáng hằng ngày.
Đối với hệ thống khử BOD, SRT có thể dao động từ 3 - 5 ngày, phụ thuộc vào nhiệt độ của nước thải. Ở nhiệt độ18 - 25ºC, với những hệ thống khử BOD và giảm quá trình nitrat hoá, SRT có thể chọn là 3 ngày.Để loại trừ nitrat hóa, một số quá trình bùn hoạt tính có SRT = 1 ngày, hay nhỏ hơn.Ở10ºC, SRT = 3 - 5 ngày cho quá trình khửBOD.
Bảng 2.6 Thời gian lưu bùn tiêu biểu cho quá trình bùn hoạt tính
Mục đích SRT ( ngày)
Loại bỏ BOD hoà tan trong nước thải đô thị
1 – 2
Chuyển hóa các phần tử hữu cơtrong nước thải đô thị
2 – 4
Tăng cường khả năng tạo bông của vi sinhđể xử lý nước thải đô thị
1 – 3
Tăng cường khả năng tạo bông của vi sinhđể xử lí nước thải công nghiệp
3 – 5
Khử nitrat hoá hoàn toàn 3 – 18 Khử photpho 2 – 4 Ổn định quá trình bùn hoạt tính 20 – 40
2.3.
NGUYÊN NHÂN VÀ HẬU QUẢ CỦA NHỮNG VẤN ĐỀ THƯỜNGGẶP KHIVẬN HÀNH BÙN HOẠT TÍNH
2.3.1. Bùn phát triển phân tán(Dispersed growth)
Bùn phát triển phân tán khi vi khuẩn không tạo bông bùn mà phát triển phân tán tự do dưới dạng những cá thể riêng biệt hay những cụm nhỏcó kích thước10 – 20 µm. Tốc độ lắng trọng lực của những cá thể hay những cụm nhỏ này rất chậm và không xuất hiện vùng lắng trong bể lắng 2. Điều này làmảnh hưởng đến quá trình bùn hoạt tính nhưsau:
- Hiệu suất bể lắng 2 thấp, nước ra khỏi bể đục. - Lượng bùn tuần hoàn lại ít, tuổi bùn nhỏ.
Có thể khái quát các nguyên nhân gây ra hiện tượng bùn phát triển phân tán nhưsau: - Trong nước thải có các thành phần hữu cơkhó phân hủy, tải trọng bùn lớn.
- Quá trình quang hợp của các vi sinh vật cũng bị hạn chế bởi sự hiện diện của các chất độc hại, các hợp chất ức chế trong nước thải.
Bùn phát triển phân tán không phải là vấn đề thường gặp trong xử lý thông thường hay khử dinh dưỡng bằng bùn hoạt tính, vì hiện tượng này thường thấy ở thời gian lưu bùn rất thấp, từ 1-3 ngày. Nó có thể xuất hiện ở giai đoạn đầu hoặc sau khimột lượng lớn vi sinh vật trôi ra khỏi hệ thống. Nước thải đô thị do thành phần có nhiều hợp chất cao phân tử, các chất keo, các chất rắn lơlửng nên thường kết bông tốt hơn nước thải tổng hợp từ cống rãnh. Tại trung tâm nghiên cứu xử lý nước thải nổi tiếng Los Angeles Hyperion, người ta đã thử chuyển xử lý thông thường sang xử lý ở tải trọng cao bằng bùn hoạt tính với thời gian lưu bùn là 1,5 ngày. Kết quả cho thấy độ đục ở dòng ra vẫn không tăng. Tuy nhiên, chỉ số lắng của bùn lại tăng, SVI trong khoảng150-210 mg/l.
2.3.2. Bùn không kết dính được (Pinpoint flocs)
Hiện tượng ban đầu của trường hợp này rất giống hiện tượng bùn phát triển phân tán, nghĩa là nước ra ở bể lắng 2 bị đục và chứa nhiều bùn. Tuy nhiên, ta có thể phân biệt hai hiện tượng này khi quan sát bằngkính hiển vi. Khi bùn không kết dính đượcthì kích thước của bùn không lắng lớn hơn (khoảng 50 – 100 µm). Chúng là những hình cầu hỗn độn liên kết với nhau. Hiện tượng bùn không kết dính được là kết quả của sự phân hủy những bông bùn lớn. Trong thí nghiệm lắng bùn, bùn dạng này chia thành 2 phần, phần bùn lớn hơn lắng rất
nhanh, chỉ số thể tích bùn tính trên phần thể tích chiếm chỗ của phần bùn này khá thấp. Nhưng phần nước phía trên thì bị đụcvì một lượng sinh khối vẫn còn trongđó.
Nguyên nhân phân hủy bông bùn của hiện tượng bùn không kết dính được ngược lại với hiện tượng bùn phát triển phân tán. Tuổi bùn lớnlà một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng bùn không kết dính được. Bông bùn liên tục kém tập trung chất nền bên ngoài làm cho các polysaccharidic ngoại bào nhưC và năng lượng phá hủy mạng polymer của bông bùn.
2.3.3. Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi(Filamentous bulking)
Hiện tượng bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợicóảnh hưởng đến tính nén bùn hơn là tính lắng. Trong trường hợp này, vận tốc lắng vẫn nằm trong khoảng cho phép. Tuy nhiên, trong vài trường hợp nghiêm trọng, khiđó vùng lắng củabể lắng 2 chứa quá nhiều bùn nén kém thì bùn sẽ dễ dàng theo dòng chảy ra ngoài. Khi người vận hành thấy hiện tượng này thì khó có thể khắc phục đượcvì quá muộn. Đây chính là mục đích mà mỗi người kĩ sưcần quan tâmđạt đến trong quá trình vận hành bùn hoạt tính.
Khi không có vi khuẩn dạng sợi(hoặc là có nhưng rất ít), các bông bùn liên kết chặt với nhau và lượng nước giữa các bông bùn bị đẩy ra ngoài. Vi khuẩn dạng sợicản trở quá trình nén và lắng củabùn bằng hai cách sau:
Một vài loại vi khuẩn dạng sợiphát triển tốt hơn bên trong bông bùn.Vì có kích thước dài và cần thức ăn ở môi trường ngoài, chúng thường lòi một phần ra ngoài (vi khuẩn dạng sợinằm một phần trong bùn và một phần ngoài môi trường nước). Dođó, chúng tạo ra cấu trúc mở và nước dễ dàng len qua và chứa đầy bên trong bùn. Bùn lắng chứa rất nhiều nước nên khó nén nhưng bản thân các vi khuẩn dạng sợinày không ngăn cản quá trình kết bông.
Hầu hết các vi khuẩn dạng sợiquan sát được trong bùn nằm trong phần bùn nén tốthơn là trong phần bùn nổi. Chúng thường nhô một phần ra ngoàiđể “bắt” các bông bùn nhỏ hơnđang lơlửng trong nước. Chính vì thế chúng ngăn cản quá trình nén của các bôngbùn đơn này. Vi khuẩn dạng sợicản trở quá trình lắng và nén của bùn theo cách này nhiều hơn.
Nhưvậy, bùn tạo khốido vi khuẩn dạng sợilà một vấn đề điển hình của bùn nén kém
gây ra những hậu quả sau đây:
Khó giữ lượngbùn cần thiết trong bể phản ứng
Khả năng tách nước của bùn kém gây khó khăn trong việc xử lý bùn
Vi khuẩn dạng sợiphát triển ở những điều kiện khác nhau. Một số loại vi khuẩn dạng sợi nhưBeggiatoa vàThiothrixphát triển tốt ở môi trường có hydrosunfit và ít chất nền nói cách khác các vi khuẩn này sống tốt ở nước thảibịlên men. Khi trong nước thải có nhiều chất béo bay hơi và có các gốc sunfua, Thiothrix phát triển mạnh. Ngoài gây ra hiện tượng bùn khối khó lắng trong quá trình bùn hoạt tính, Beggiatoavà Thiothrixcòn gây nhiều vấn đề trong các hệ thống lọc sinh học, màng cố định.
Hình 2.11 Bùn tạo khối do vi khuẩn dạng sợi
Bảng 2.7 Các loài vi khuẩn dạng sợithường gặp gâyra hiện tượngbùn tạokhối
Nguyên nhân Dạng vi khuẩn
DO thấp Sphaerotilus natans, Microthrix parvicella,
Haliscomenobater hydrossisvà loại 1701 F/M thấp M.parvicella,Nocardia spp., và các loại
0041, 0675, 1851, 0803.
Nước thải bị thối rửa (axit hữu cơcao) Thiothrix I,II,Beggiatoa spp.,N. limicola II*, và các loại 021N, 0092*, 0914*, 0581*, 0961*, 0411
Thiếu dinh dưỡng Thiothrix I,IIvà loại 021N.
N. limicola III
pH thấp Nấm
Dầu mỡ trong nước thải cao Nocardiaspp.,M. parvicellavà loại1863
( Theo Waste water Engineering-Metcalf & Eddy, bảng 8-8 trang 697) i/ DO thấp
Nồng độ DO thấp là nguyên nhân thường gặp nhất gây ra hiện tượng bùn tạo khối. Thông thường, nồng độ DO thích hợp để duy trì cho quá trình bùn hoạt tính là 2 mg/l. Khi nồng độ DO thấp, vi khuẩn trong bông bùn liên kết với nhau yếu làm cho bông bùn liên kết với nhau không chặt.
ii/ Nước thảilên men
Nước thải bịlên men biểu hiện ở mùi trứng thối (do khí H2S sinh ra) và thường có màuđen (do kết tủa sunfua sắt).Thành phần của nước thải lên men chứa nhiều gốc sunfua và các axit hữu cơnhư: axit acetic, axit butyric….Đây là môi trường sống thuận lợi của vi khuẩn dạng sợi. Khí hậu nóng ẩm cũng dễ làm nước thải dễlên men. Nồng độ sunfua > 1- 2 mg/l, và nồng độ axit hữu cơ> 100 mg/l sẽ tạo điều kiện cho vi khuẩn dạng sợisinh trưởng.
iii/ Lượngdinh dưỡng
Nhìn chung, tỉ lệ dinh dưỡng thích hợp BOD5:N:P là 100:5:1 cho quá trình khử BOD trong nước thải. Dấu hiệu của sự thiếu hụt dinh dưỡng là sự xuất hiện các loại bùn khó lắng, bùn sệt. Tối thiểu 1 mg/l tổng nitơhữu cơvà 0.1 - 0.5 mg/l ortho – phot phat phải được bổ sung cho nước thải trong suốt quá trình xử lý.
2.3.4. Bùn tạo khối nhớt(vicous bulking) hay là sự phát triển của Zoogloeal (Zoogloeal
growth)
Hiện tượng bùn tạo khối nhớtđược nóiđến trong các tài liệu bắt đầu từ những năm 1950 nhưng chưa có những lời giải thích xác đáng cho hiện tượng này. Nguyên nhân được tìm thấy là do có quá nhiều polymer sinh học ngoại bào có tính nhớt, sền sệt vàđông như thạch bám chặt vào bùn hoạt tính. Vì polymer sinh học này là chất keo có khả năng hút nước làm cho bùn có khả năng giữ nước cao. Loại bùn có nướcnày sẽ có vận tốc lắng nhỏ và kém liên kết. Điều này dẫn đến những hậu quả nhưsau trong bể lắng 2:
Mất bùn Bùn hồi lưu ít
Vì polymer sinh học cũng là tác nhân hoạt động bề mặt tự nhiên. Khi bùn nhớt được làm thoáng quá mức thì hiện tượng tạo bọt có thể sẽ xảy ra. Trong suốt quá trình tạo bọt đó, phần lớn sinh khối sẽ bám vàođám bọt này và thoát ra ngoài bể aerotank.
Phản ứng giữa các vi khuẩn với các chất dinh dưỡng thiếu hụt trong nước thải hay là với những hợp chất độc hại đều tạo ra các polymer sinh học. Đây là một đặc tính của hầu hết các vi sinh vật tạo bọt. Nhưng dưới những điều kiện bình thường (không có hợp chất độc hại,
dinh dưỡng phát triển cân bằng) thì lượng polymer sinh ra chỉ đủ để hình thành những bông bùn.
Sự phát triển nhanh chóng khôngđược mong đợicủa Zoogloeal cũng làm cho bùn tạo khối nhớt. Sự phát triển này làm cho bùn kém liên kết và nổi lên. Zoogloeal phát triển mạnh sẽ tạo ra những đám bọt váng màu trắng lớn trên bề mặt của bểaerotank. Trong bể lắng 2, Zoogloeal phát triển trên thành bể dưới dạng những lớp bọt nhớt màu trắng hoặc trắng xám. Từ “Zoogloeal” được xuất phát từ tên của vi khuẩn Zoogloea ramigera.Đây là một trong loài vi khuẩn hình thành bông bùnđầu tiênđược xác định là gây ra hiện tượng bùn tạo khốitrong quá trình bùn hoạt tính. Sự phát triển của loài vi khuẩn này đã ảnh hưởng đến những điều kiện vận hành bao gồm: tỉ số F/M cao hoặc thấp, SRT và HRT lớn, thiếu dinh dưỡng, xuất hiện cBOD dễ hòa tan.
Zoogloea ramigeracũng nhưcác loài vi khuẩn tạo bông bùn khác là loài hiếu khí, có dạng hình que. Zoogloeal có 2 hình thức phát triển đó là hình ngón tay hay dạng hình cầu. Trong quá trình phát triển nhanh chóng của mình, những loài vi khuẩn này tạo ra một lượng lớn polysaccharide ngoại bào có tính sệt. Polysaccharide này không hòa tanđược trong nước thải, nhẹ hơn nước và có khả năng giữ nước. Nếu polysaccharide giữ lại những bọtkhí thì hiện tượng tạo bọt sẽ xảy ra.Bọt điển hình của bùn nhớt nhớtcó màu trắng lớn.
Bảng 2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đếnbùn khốinhớt
Yếu tố Nguyên nhân
Đặc điểm nước thải pH Nhiệt độ
Nước thải bị lên men Thành phần dinh dưỡng Điều kiện thiết kế Oxy bị giớn hạn
Khuấy trộn không tốt
Diện tíchbể sục khí và bể lắngđợt hai nhỏ Lượng bùn tuần hoàn ít.
Điều kiện vận hành Oxy hòa tan khôngđủ Dinh dưỡng thiếu F/M thấp
BOD hòa tan khôngđủ
(Theo Waste Water Engineering – Metcalf & Eddy, bảng 8-9 trang 697)
Thường rất khó cải thiện hiện tượng bùn tạo khối do Zoogloeal. Theo Jenkins và cộng sự, bùn hoạt tính dạng này rất khó kiểm soát bằng polymer hoặc H2O2. Tuy nhiên, theo van
Leeuwen, sự phát triển của Zoogloeal có thể kiểm soát bằng cách sử dụng ozone với liều lượnglà 1g O3/kg MLSS.ngày.
2.3.5. Bùn nổi (Rising sludge)
Người ta quan sát thấy hiện tượng bùn nổi ở bể lắng 2. Khi quan sát hiện tượng này trongống đong bằng thủy tinh, người ta thấy được hai pha rõ rệt nhưsau:
Đầu tiên bùn lắng nhanh xuống dưới đáy và liên kết với nhau còn phần nước trong ở phía trên.
Sau mộtkhoảng thời gian (nhiệt độđược nâng lên, ngay cả ít hơn 30 phút, là một yếu tố có thể gây nên những khác biệtkhi đo SVI), một phần hay toàn bộ thể tích bùn lắng bắt đầu nổi lên bề mặt.
Bản chất của hiện tượng này là quá trình khử nitrat nội bào tại lớp bùn lắng. Nitơbị giải phóng trong suốt quá trình nàyđồng thờikéo bùn lên trên mặt nước. Henze đãđánh giá tất cả những yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat trong bể lắng 2 và đưa ra những kết luận sau:
Bùn nổi ở 20º C khi nồng độ nitrat (NO3- N) từ 6 – 8 mg/l
Thời gian lưu của lớp bùn lắng nhỏ hơn 1 giờ đủ để khí nitơsinh ra làm cho bùn nổi lên
Bảng 2.9 Các dấu hiệu nhận biết có quá trình khửnitrat
Sự hiện diện của các khí N2, N2O, và CO2
Sự hiện diện củacác bùn nổi tối màu Độ kiềm tăng
pH tăng Nồng độ NO2-giảm Nồng độ NO3-giảm
(Theo Setteability Problems and Loss of Solids in the Activated Sludge Process- Michael H. Gerardi, bảng 8.2 trang 65)
2.3.6. Bọt váng (Foam/Scum)
Bọt được gây ra chủ yếu bởi hai loại vi khuẩn: Norcardia spp, và Microthrix parvicella. Norcardia có cấu trúc dạng sợi ngắn, cònMicrothrix parvicellacó dạng sợi mỏng dài. Có 3 nguyên nhân chính gây nên sự xuất hiện của các vi khuẩn này:
Hàm lượng dầu mỡ trong nước thải cao. Hai loại vi khuẩn này đều phát triển thuận lợi ở môi trường có hàm lượng dầu mỡ cao. Những hệ thống xử lý không có bể tách dầu mỡ thường xuất hiện nhiều bùn dạng bọt.
Tuổi bùn lớn
Thiếu oxy hay nước thải hôi thối.
Các bể sục khí nhiệt độ cao là môi trường sống thuận lợi của Norcardia trong khi
M.parvicellalại sống trong môi trường nhiệt độ thấp. Không thể dùng hoá chấtchống bọt để tiêu diệt các bọt váng này bởi sự gắn kết chặt của các vi khuẩn trong bọt. Xử lý bằng clor phần nào có thể kiểm soát được bọt Norcardianhưngđối với M.parvicellalại hiệu quả hơn. Điều này có thể giải thích nhưsau:Norcardiathường nằm trong đám bông bùn, sử dụng clor ở nồng độ cao để loại bỏ Norcardiacó thể phá vỡ đám bông bùn. Liều lượng clor trong xử lý bọt Norcardiakhoảng 50 mg/l là hiệu quả.Bọt gây ra bởi Norcardiathường có màu nâu, dày từ 0,5 – 1 m.
Bảng 2.10 Các dạng vi khuẩn gây bọt váng thường gặp
Vi khuẩn gây bọt Điều kiện phát triển
Microthrix Parvicella F/M thấp Nhiệt độ thấp
Hàm lượng dầu mỡ, chất béo trong nước thải cao
Norcardia Dầu mỡ cao
Nhiệt độ cao Loại 1863 DO thấp
pH thấp
Hình 2.12 Bùn dạng bọt váng Nocardia
Hiện tượng tạo bọt gây ra bởi vi khuẩn dạng sợicần phải phân biệt rõ ràng với sự nổi váng do có nhiều hợp chất hoạt động bề mặt nhưdầu mỡ trong nước thải. Nguyên nhân gây ra hiện tượng bọt váng là do thayđổi ít nhất một trong các điều kiệnvận hành sau:
Bảng 2.11Ảnh hưởng của sự thay đổi về sinh học, hóa học và lý học đến sự hình thành bọt/váng
Điều kiện vận hành Sự thay đổi về sinh học, hóa học và lý học
Nổi bọt/váng
Vi khuẩn dạng sợi Sinh học Nổi bọt Thiếu dinh dưỡng Sinh học Nổi bọt Tuổi bùn Sinh học Nổi bọt Sự phát triển của Zoogloeal Sinh học Nổi bọt Quá nhiểu chất hoạt động bề mặt Hóa học Nổi bọt Tăng tính kiềm Hóa học Nổi bọt Sự xuất hiện của các polymer cation Hóa học Nổi bọt
Chất độc Hóa học Nổi váng
Tích lũy chất béo, dầu mỡ Lý học Nổi bọt
(Theo Settleability Problems and Loss of Solids in the Activated Sludge Process – Michael H.Geradi, bảng 20.1 trang 126)
a. Bọt
Bọt là một lớp chất rắn, ví dụ nhưlipids, có khả năng giữ khí. Những khí bị giữ lại thường là CO2, N2và NO2. Khiđám bọt xẹp xuống thì trở thành váng. Khi miêu tả bọt, người
ta thường đề cập đến 2 tính chất là màu sắc và cấu trúc của bọt. 2 tính chất nàyđược miêu tả nhưbảng sau:
Bảng 2.12 Những dạng bọt chính trong bùn hoạt tính
Nguyên nhân tạo bọt Màu sắc và cấu trúc
Vi khuẩn dạng sợi Màu nâu chocolate, nhớt Thiếu dinh dưỡng Màu trắng, lớn (tuổi bùn nhỏ)
Màu xám, nhờn (tuổi bùn lớn) Tuổi bùn Màu trắng lớn,trắng nhỏ, xám nhỏ, nâu
đen nhớt và nâu đen nhớt có tính sệt Sự phát triển của Zoogloeal Màu trắng, lớn
Quá nhiều chất hoạt động bề mặt Màu trắng, lớn Tăng tính kiềm Màu trắng, lớn Sự xuất hiện của các polymer cation Màu trắng, lớn
Tích lũy chất béo, dầu mỡ Màu nâu đen hoặc đen, nhớt
(Theo Settleability Problems and Loss of Solids in the Activated Sludge Process – Michael H.Geradi, bảng 20.3 trang 126)
Tùy theo từng loại bọt mà có những phương pháp kiểm soát khác nhau. Vì vậy, việc xácđịnh từng loại bọt và nguyên nhân gây ra bọt khi thay đổi điều kiện vận hành là rất quan trọng.
Nổi bọt do vi khuẩn dạng sợilà một qui trình tổng hợp hóa lý và hóa sinh dẫn đến sự ổn định của hệ thống 3 pha khí-nước-vi khuẩn. Sự ổn định của đám bọt là do:
Vi khuẩn dạng sợisản xuất ra lipid, lipopeptid, protein và carbohydrate là những tác nhân hoạt động bề mặt.
Màng tế bào bên ngoài của vi khuẩn dạng sợirất kị nước.
Những chất hoạt động bề mặt kết hợp với chất làm sạch tổng hợp trong nước thải làm cho những tế bào kị nước của vi khuẩn dạng sợicó khả năng tạo bọt. Sự ổn định của lớp bọt
