Sử dụng nhĩm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp ơxy liên tục. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 03 giai đoạn sau:
Ơxy hĩa các chất hữu cơ:
Enzyme
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + H Tổng hợp tế bào mới:
Phân hủy nội bào:
Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp kị khí và hiếu khí cĩ thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các cơng trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình ơxy sinh hĩa nên quá trình xử lý cĩ tốc độ và hiệu suất cao hơn xử lý sinh học tự nhiên.
Trong quá trình bùn hoạt tính, các chất hữu cơ hịa tan và khơng hịa tan chuyển hĩa thành bơng bùn sinh học – quần thể vi sinh vật hiếu khí – cĩ khả năng lắng dưới tác dụng của trọng lực. Nước chảy liên tục vào bể aerotank, trong đĩ khí được đưa vào cùng xáo trộn với bùn hoạt tính cung cấp ơxy cho vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ. Dưới điều kiện như thế, vi sinh vật sinh trưởng tăng sinh khối và kết thành bơng bùn. Hỗn hợp bùn và nước thải chảy đến bể lắng đợt 2 và tại đây bùn hoạt tính lắng xuống đáy. Lượng lớn bùn hoạt tính (25 – 75% lưu lượng) tuần hồn về bể aerotank để giữ ổn định mật độ vi khuẩn, tạo điều kiện phân hủy nhanh chất hữu cơ. Lượng sinh khối dư mỗi ngày cùng với lượng bùn tươi từ bể lắng 1 được dẫn tiếp tục đến cơng trình xử lý bùn.
Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cần phải hiểu rõ vai trị quan trọng của quần thể vi sinh vật. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hĩa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị ơxy hĩa hồn tồn thành CO2, H2O, NO3
-
, C5H7O2 + O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 H
SO4
2-, … Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm: Pseudomonas, Zoogloea, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium,…và hai loại vi khuẩn nitrate hĩa Nitrosomonas, Nitrobacter. Yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưa vào hệ thống cần cĩ hàm lượng SS khơng vượt quá 50 mg/L, hàm lượng sản phẩm dầu mỡ khơng quá 25 mg/L, pH từ 6,5 – 8,5 và nhiệt độ từ 6 – 370C. Một số dạng bể ứng dụng quá trình bùn hoạt tính lơ lửng như : Bể aerotank thơng thường, bể aerotank xáo trộn hồn chỉnh, mương ơxy hĩa, bể hoạt động gián đoạn, bể aerotank mở rộng
Một số cơng trình hiếu khí cĩ thể được áp dụng để xử lý nước thải chăn nuơi heo hiệu quả.
Bể Aerotank thơng thường
Địi hỏi chế độ dịng chảy nút (plug – flow), khi đĩ chiều dài bể rất lớn so với chiều rộng. Trong bể này nước thải vào cĩ thể phân bố ở nhiều điểm theo chiều dài, bùn hoạt tính tuần hồn đưa vào đầu bể. Ở chế độ dịng chảy nút, bơng bùn cĩ đặc tính tốt hơn, dễ lắng. Tốc độ sục khí giảm dần theo chiều dài bể. Quá trình phân hủy nội bào xảy ra ở cuối bể (ECKENFELDER W.W.,1989). Tải trọng thích hợp vào khoảng 0,3 – 0,6 kg BOD5/m3 ngày với hàm lượng MLSS 1.500 – 3.000 mg/L, thời gian lưu nước từ 4 – 8 giờ, tỷ số F/M = 0,2 – 0,4, thời gian lưu bùn từ 5 – 15 ngày.
Hình 2.4. Các thiết bị khuấy trộn
Mương ơxy hĩa
Là mương dẫn dạng vịng cĩ sục khí để tạo dịng chảy trong mương cĩ vận tốc đủ xáo trộn bùn hoạt tính. Vận tốc trong mương thường được thiết kế lớn hơn 3 m/s để tránh cặn lắng. Mương ơxy hĩa cĩ thể kết hợp quá trình xử lý nitơ. METCALF and EDDY (1991) đề nghị tải trọng thiết kế 0,10 – 0,25 kg BOD5/m3 ngày, thời gian lưu nước 8 – 16 giờ, hàm lượng MLSS khoảng 3.000 – 6.000 mg/L, thời gian lưu bùn từ 10 – 30 ngày là thích hợp.
Bể hoạt động gián đoạn (SBR – Sequencing Batch Reactor)
Bể hoạt động gián đoạn là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính theo kiểu làm đầy và xả cạn. Quá trình xảy ra trong bể SBR tương tự như trong bể bùn hoạt tính hoạt động liên tục, chỉ cĩ điều tất cả quá trình xảy ra trong cùng một bể và được thực hiện lần lượt theo các bước: (1) làm đầy, (2) phản ứng, (3) lắng, (4) xả cạn, (5) ngưng.
Ưu điểm của bể SBR là cĩ thể được sử dụng để xử lý nước thải cĩ nồng độ BOD và Nitơ cao trong cùng một bể xử lý. Vì vậy, nĩ cĩ thể được nghiên cứu để áp dụng trong việc xử lý nước thải chăn nuơi heo.
Bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Vật liệu tiếp xúc thường là đá cĩ đường kính trung bình 25 – 100 mm, hoặc vật liệu nhựa cĩ hình dạng khác nhau, … cĩ chiều cao từ 4 – 12 m. Nước thải được phân bố
đều trên mặt lớp vật liệu bằng hệ thống quay hoặc vịi phun. Quần thể vi sinh vật sống bám trên giá thể tạo nên màng nhầy sinh học cĩ khả năng hấp phụ và phân hủy chất hữu cơ chứa trong nước thải.
Phần bên ngồi lớp màng nhầy (khoảng 0,1 – 0,2 mm) là loại vi sinh hiếu khí. Khi vi sinh phát triển, chiều dày lớp màng ngày càng tăng, vi sinh lớp ngồi tiêu thụ hết lượng ơxy khuếch tán trước khi ơxy thấm vào bên trong. Vì vậy, gần sát bề mặt giá thể mơi trường kị khí hình thành. Khi lớp màng dày, chất hữu cơ bị phân hủy hồn tồn ở lớp ngồi, vi sinh sống gần bề mặt giá thể thiếu nguồn cơ chất, chất dinh dưỡng dẫn đến tình trạng phân hủy nội bào và mất đi khả năng bám dính. Nước thải sau xử lý được thu qua hệ thống thu nước đặt bên dưới. Hệ thống thu nước này cĩ cấu trúc rỗ để tạo điều kiện khơng khí lưu thơng trong bể. Sau khi ra khỏi bể, nước thải vào bể lắng đợt hai để loại bỏ màng vi sinh tách khỏi giá thể.
Nước sau xử lý cĩ thể tuần hồn để pha lỗng nước thải đầu vào bể lọc sinh học, đồng thời duy trì độ ẩm cho màng nhầy.