Trong các bể xử lý sinh học theo nguyên lý xử lý sinh học hiếu khí các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hang đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan, các chất keo, và phân tán nhỏ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới, nên để đảm bảo cho hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxi liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 – 400C [35]. Nhóm vi sinh vật hiếu khí có thể sử dụng dưới dạng sinh trưởng lơ lửng hoặc sinh trưởng bám dính và thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn
các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh[16].
Quá trình phân huỷ hiếu khí hay chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý nước thải gồm 3 giai đoạn chủ yếu sau:
41 - Giai đoạn 1: Oxi hoá các chất hữu cơ
𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧𝑁𝑡 + 𝑥 +𝑦 4− 𝑧 2− 3𝑡 4 𝑂2 𝑉𝑆𝑉 𝑥𝐶𝑂2 + 𝑦 − 3𝑡 2 𝐻2𝑂 + 𝑡𝑁𝐻3 + ∆𝐻
Ở giai đoạn này nếu hợp chất hữu cơ có chứa nitơ như protein thì oxi sẽ phân huỷ hợp chất hữu cơ chứa nitơ và giải phóng NH3 hay NH4+ là nguồn dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào, một lượng nhỏ được vi khuẩn Nitromonas
chuyển thành nitrit (NO2-) và từ nitrit chuyển thành nitrat nhờ vi khuẩn Nitrobacter.
Để chuyển thành nitơ phân tử thì cần điều kiện thiếu khí vì vi khuẩn phản nitrat hóa cần điều kiện hiếu khí thấp.
- Giai đoạn 2: (Tổng hợp xây dựng tế bào) Giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến
hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường.
𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧𝑁𝑡 + 𝑡𝑁𝐻3 + 𝑥 +𝑦 4− 𝑧 2− 43𝑡 4 𝑂2 𝑉𝑆𝑉 2𝑡𝐶5𝐻7𝑁𝑂2 + (𝑥 − 10𝑡)𝐶𝑂2 + 𝑦 − 11𝑡 2 𝐻2𝑂 + ∆𝐻
- Giai đoạn 3: (Tự phân huỷ chất liệu tế bào) Trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn
chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường.
𝐶5𝐻7𝑁𝑂2 + 5𝑂2 𝑉𝑆𝑉 5𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 𝑁𝐻3 + 𝐴𝑇𝑃
Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu dùng trong công nghệ hồ sục khí, bùn hoạt tính. Còn xử lý hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính sử dụng trong các giá thể cố định hoặc lơ lửng trong lọc sinh học [16]. Một số ứng dụng xử lý sinh học hiếu khí điển hình cho xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt như:
42
- Hồ ổn định là hồ chứa nước thải với lớp trên làm việc như hồ oxy hóa tự nhiên và phần dưới là hồ kỵ khí tự nhiên. Khả năng xử lý của hồ rất hạn chế, diện tích của hồ lớn, quá trình làm việc của hồ có thể gây ra mùi hôi thối và rất nhạy cảm với nhiệt độ môi trường do vậy ngày nay loại hồ này hầu như không được sử dụng. - Hồ sục khí là một hồ hoặc một bể nông có các thiết bị thông khí. Do đó chi phí
năng lượng cho quá trình vận hành chiếm tới 50%. Hiệu xuất truyền oxy là yếu tố quan trọng khi tính toán hệ thống này. Thiết bị cung cấp khí cho phương pháp sục khí về mặt cung cấp bọt khí thô, còn phương pháp sục khí dưới đáy cung cấp bọt khí tính do vậy hiệu quả xử lý cao hơn phương pháp sục khí bề mặt. Nên ngày nay thường sử dụng phương pháp sục khí dưới đáy.
- Bể Aeroten là một bể phản ứng sinh học hiếu khí hình tròn hoặc hình chữ nhật. Thông dụng nhất hiện nay là các aeroten hình khối chữ nhật. Nước thải chảy suốt qua chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cường quá trình oxy hóa chất hữu cơ có trong nước. Phần chính của sinh khối tuần hoàn lại để sục khí để duy trì khối vi khuẩn và cũng nhằm đạt tuổi bùn tối ưu, phần còn lại được tách ra dưới dạng bùn thừa tỷ lệ với lượng bùn mới sinh ra. Các chất ô nhiễm có trong nước thải có thể được xử lý đến 80 ÷ 95%, thời gian xử lý hiếu khí từ 15 ÷ 20 giờ. Mật độ vi sinh khoảng 1.000 ÷ 1.500 mg/l. - Công nghệ MBR (Membrane Bioreactor) [10]: Dựa trên quá trình hoạt động của vi
sinh vật ở màng sinh học, oxy hóa các chất hữu cơ bẩn có trong nước thải. Các màng sinh học là tập hợp các vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và kỵ khí tùy tiện. Các vi khuẩn hiếu khí được tập trung ở lớp ngoài cùng của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng bám dính). Các chất ô nhiễm có trong nước thải có thể được xử lý đến 80 ÷ 95%, thường thời gian xử lý hiếu khí từ 6 ÷12 giờ. Mật độ vi sinh khoảng 2.500 ÷ 3.000 mg/lít.
43
- Công nghệ MBBR (Moving Bed BioReactor) [15] là công nghệ bùn hoạt tính áp dụng kỹ thuật vi sinh dính bám trên lớp vật liệu mang di chuyển. Mật độ vi sinh (MLVSS) trong bể xử lý MBBR cao hơn so với kỹ thuật bùn hoạt tính phân tán. Công nghệ MBBR là bước tiến lớn của kỹ thuật xử lý nước thải. Giá thể này có dạng cầu với diện tích tiếp xúc khoảng 350 ÷ 400 m2/m3. Nhờ vậy sự trao đổi chất, nitrat hóa diễn ra nhanh nhờ vào mật độ vi sinh lớp tập trung trong giá thể lưu động. Vi sinh được lưu động khắp nơi trong bể, lúc lên, lúc xuống, lúc sang trái, lúc sang phải trong “thể tích bể” giá thể lưu động. Lượng khí cấp cho quá trình xử lý hiếu khí đủ để làm giá thể lưu động.
Công nghệ MBBR là công nghệ mới nhất hiện nay trong lĩnh vực xử lý nước thải vì tiết kiệm được diện tích và hiệu quả xử lý cao. Vật liệu làm giá thể có tỷ trọng nhỏ hơn nước, đảm bảo điều kiện lơ lửng được. Các giá thể này luôn chuyển động không ngừng trong toàn thể tích bể nhờ các thiết bị sục khí và thiết bị khuấy. Qua đó, mật độ vi sinh ngày càng gia tăng, hiệu quả xử lý ngày càng cao [19].