phương pháp xử lý vi sinh vật

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát
bằng mắt thường. Nó phân bố khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không
khí Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong
cuộc sống của con người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu
cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn bật chất trong tự nhiên.
Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Nó đóng vai trò
quyết định quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên.
Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng VSV trong đời sống hằng ngày. Các
quá trình làm rượu, làm dấm, muối chua đều ứng dụng đặc tính sinh học của
các nhóm VSV. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV thì việc ứng
dụng trong sản xuất và đời sống hằng ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn.
Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, con người đã sử dụng VSV làm sạch môi
trường, xử lý các chất độc hại, sử dụng VSV trong việc chế tạo phân bón hóa
học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc đến môi trường và bảo vệ sự cân bằng
sinh thái.
Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bay
hơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó phân hủy, Phần lớn các chất hữu cơ trong
nước đóng vai trò là cơ chất đối với vi sinh vật. Nó tham gia vào quá trình dinh
dưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật. Vì thế, công nghệ xử lý nước thải bằng
sinh học thường được áp dụng vì dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân
hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải, các vi sinh vật sử dụng các
chất hữu cơ và một số chất khoáng làm chất dinh dưỡng và tạo năng lượng. Chúng
nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối
của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá
trình oxy hóa sinh hóa, nhưng do trong môi trường có các vi khuẩn giúp cho quá
trình chuyển hóa, phân hủy chất hữu cơ nên khi xử lý nước thải cần xem xét nước
thải có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có mặt của nó và nếu có thì tạo
điều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển.
Phương pháp xử lý sinh học được chia làm 2 loại:
Phương pháp kỵ khí: sử dụng vi sinh vật kỵ khí , hoạt động trong môi trường

không có Oxy.
Phương pháp hiếu khí: sử dụng vi sinh vật hiếu khí hoạt động trong điều kiện
cung cấp Oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa
sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các
chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật
theo 3 giai đoạn chính như sau:
• Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật.
• Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ
bên trong và bên ngoài tế bào.
• Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp
tế bào mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm
lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống nước
xử lý.Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản
ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH,
dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng.
CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ
I. 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 vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện
không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí
(CO
2
, CH
4
). Quá trình phân hủy kị khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:
(CHO)
n
NS → CO

2
+ H
2
O + CH
4
+ NH
4
+ H
2
+ H
2
S + Tế bào VI SINH
Quá 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 ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học.
II. Các công nghệ xử lý kị khí
III. Quá trình phân hủy kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong
điều kiện không có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có
thể biểu diễn đơn giản như sau:
Chất hữu cơ  CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+ H
2

S + Tế bào mới.

Quá trình kỵ khí sử dụng CO
2
làm chất nhận điện tử, không cần oxy. Đây có thể
trở nên một yếu tố làm giảm chi phí xử lý nước thải.
Quá trình kỵ khí sản xuất lượng bùn ít hơn từ 3 – 20 lần so với quá trình hiếu
khí, bởi vì sự sản sinh năng lượng từ các quá trình kỵ khí tương đối thấp. Hầu hết
năng lượng có được từ sự phá hủy cơ chất đều được tìm thấy trong các sản phẩm
cuối của quá trình, đó là CH
4
. Nói về sản lượng tế bào, 50% cacbon hữu cơ được
chuyển thành sinh khối trong điều kiện kỵ khi, trong khi với quá trình hiếu khí tỷ lệ
này là 5%. Cứ từ 1 tấn khối lượng COD bị phân hủy thì có 20 – 150 kg khối lượng
thô của tế bào sinh ra, so sánh với quá trình hiếu khí thì con số này là 400 – 600 kg
(Speece, 1983, Switzenbaun, 1983).
Quá trình xử lý kỵ khí thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễm nặng .
Bể phản ứng kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng cao.
Hệ thống kỵ khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất tổng hợp như các
hydrocacbon béo có chlor như trichloroethylene, trihalomethan) và một số hợp
chất khó phân hủy như lignin.
Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như
sau:
Methane (CH
4
) 55,65 %
Carbon dioxite (CO
2
) 35,45 %
Nitrogen (N

2
) 0,3 %
Hydrogen (H
2
) 0,1 %
Hydrogen Sulphide (H
2
S) 0,1 %
Biogas có trị nhiệt cao 4500 – 6000 kcal/m
3
tùy vào thành phần % methan có
trong biogas. Methane có trị nhiệt cao 9000 kcal/m
3
)
Lên men
Yếm khí
Metan có thể dùng để đốt, tạo nhiệt cung cấp cho lò phản ứng hoặc tạo ra điện.
Một lượng nhỏ năng lượng (khoảng 3 – 5 % ) bị mất bởi nhiệt trong quá trình kỵ
khí . Sự tạo thành metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy.
Phân hủy kị khí có thể làm sáu quá trình:
1. Phân hủy polimer:
- Thủy phân các protein
- Thủy phân polysaccharide
- Thủy phân chất béo
2. Lên men các amino axit và đường
3. Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu (alcohols)
4. Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic)
5. Hình thành khí mêtan từ axit acetic
6. Hình thành khí mêtan từ hydrogen và CO
2

.
Các quá trình này có thể họp thành bốn giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình
phân hủy kị khí chất hữu cơ:
• Giai đoạn thủy phân
Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất
đơn giản hơn (để có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các
enzyme ngoại bào của các vi khuẩn (vi khuẩn lên men). Dưới tác dụng của các
loại men khác nhau do nhiều loại vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như
hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản,
dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic,
axit lactic và các khí CO
2
, H
2
và NH
3
.
• Giai đoạn axit hóa
Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật
hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển
chất nền qua màng tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với
sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo
mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí hydro và khí
CO2, Giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men.
Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đối
phức tạp, có thể tóm tắt như sau:
- Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian để tạo sản phẩm
cuối cùng. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối.
- Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau:
Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA

Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở
màng trong tế bào vi khuẩn.
Acyl-CoA → Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA
↓
↓
Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic.
Acyl-CoA + H2 + năng lượng tích lũy (ATP)
Axit axetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-)
Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu còn
chứa cả axit propionic.
Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt)
trước khi trải qua quá trình oxy hóa β.
Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peronic, các axit
trung gian cung cơ thể được tạo thành từ các con đường khác
(oxy hóa α, oxy hóa ω, ) bởi một số nhóm vi khuẩn và nấm.
Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, indol,
scatol, được sinh ra và pH của môi trường tăng dần lên.
• Giai đoạn axetat hóa
Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá
trình axit hóa nêu trên, ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân
giải tiếp thành những phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit acetic,
khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn axetat hóa:
CH
3
CH
2
OH (ethanol) + H
2
O → CH
3

COO
-
+ H
+
+ 2H
2
CH
3
CH
2
COO
-
(propionic) + 3H
2
O → CH
3
COO
-
+ HCO
3
-
+ H
+
+ 3H
2
CH
3
(CH
2
)

2
COO
-
(butyric) +H
2
O → 2CH
3
COO
-
+ H
+
+ 2H
2
Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí
này ngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền
cùng với CO
2
. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều
vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự
tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó
tăng lên thì sự tạo thành nó (bởi vi khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh. Trong khi
axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng
trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay
hơi khác. Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 –
42
o
C.
• Giai đoạn tạo metan
Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong
muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng các tổ hợp các con

đường sau:
- Con đường 1: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Loại VSV hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2.
Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con đường này.
- Con đường 2: CH3COOH → CO2 + CH4
4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2
Loại VSV acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2.
Khoảng 70% lượng metan sinh ra bằng con đường này. Tuy nhiên, năng
lượng giải phóng từ con đường này nhỏ. CO2 giải phóng ra lại được khử
thành metan bằng con đường 1. Chỉ có 1 số loài VSV metan sử dụng được
cơ chất là CO.
- Con đường 3: CH
3
OH + H2 → CH
4
+ 2H
2
O
4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3
Loài VSV methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl.
Chỉ một lượng không đáng kể metan được sinh ra từ con đường này.
Nhiều nghiên cứ trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy
giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp. Về hóa sinh trong giai đoạn lên
metan tất cả các hợp chất hữu cơ phức tạp đều chuyển về sản phẩm cuối
cùng là CO2, H2 và CH4 được mô ta như sau:
i
Trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa) thì lượng COD hầu
như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa.
Ngược với quá trình hiếu khí, trong xử lý nước thải bằng phân hủy kị khí, tải
trọng tối đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy. Nhưng trong công nghệ

xử lý kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng
1) Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt;
2) Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn.
Khi hai yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải
trọng rất cao.
Nguyên lý xử lý kỵ khí:
a) Quá trình lên men acid (phân hủy hợp chất cao phân tử):
Cellulose  acetate + rượu
Lipid  acid hữu cơ
Protein  H
2
+ CO
2
+ NH
3
+ H
2
S
b) Chất hữu cơ đơn giản  acid béo + chất hữu cơ hòa tan
c) Quá trình methane hóa (lên men metan)
Lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH
4
Không có sự hiện diện của Oxy
Cần nhiệt độ cao

IV. Các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỵ khí
Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì
nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Có nhiều
nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa hỗn hợp chất hữu cơ
phức tạp thành CH

4
, CO
2
và chúng hoạt động theo mối quan hệ synergy (Archer và
Kirsop,1991; Barner và Fitzgeral,1987; Sahm, 1984; Sterritt và Lester, 1988;
Zeikus, 1980).
IV.1 Nhóm VK thủy phân – Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số vi
sinh vật)
Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (Protein , Cellulose, Lignin,
Lipids) thành những đơn phân tử hòa tan như Acid Amin, Glucose, Acid béo,
Glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn thứ 2 trực tiếp sử dụng
ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như Cellulose,
Protease, Lipase. Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm và có thể
giới hạn khả năng phân hủy kỵ khí của một số chất thải nguồn gốc cellulose, có
chứa lignin.

IV.2 VK lên men acid – Fermentative acidogenic bacteria
Acetate là sản phẩm chính của quá trình lên men Carbonhydrat. Các sản phẩm
được tạo thành rất khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuôi cấy
(nhiệt độ, pH, thế oxy hóa).
Hình: Fermentative bacteria
IV.3 Nhóm VK acetic – Acetogenic bacteria
Nhóm này gồm các vi khuẩn như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas
wolfei.
Chuyển hóa acid béo, alcol  acetate, CO
2
và H
2.
Đòi hỏi thế Hydro thấp để chuyển hóa các acid béo.
Thế Hydro cao: acetate tạo thành giảm, các chất chuyển hóa thành acid

propionic, butyric, ethanol  Metan giảm.
Mối quan hệ cộng sinh giữa VK acetogenic và VK Metan. Vi khuẩn Metan sẽ
giúp đạt được thế hydro thấp mà vi khuẩn acetogenic cần.
• Ethanol , acid propionic và butyric được chuyển hóa thành acid acetic bởi
nhóm vi khuẩn acetogenic theo phương trình sau:
CH
3
CH
2
OH(ethanol) + CO
2
 CH
3
COOH(acid acetic) + 2H
2
CH
3
CH
2
COOH (acid propionic) + 2H
2
O  CH
3
COOH(acid acetic) + 2H
2
+CO
2
CH
3
CH

2
CH
2
COOH(acid butyric) + 2H
2
O  2CH
3
COOH(acid acetic) + 2H
2
• Vi khuẩn acetogenic tăng trưởng nhanh hơn nhiều so với vi khuẩn metan
với
max
lần lượt là 1 hr
-1
và 0,04 hr
-1
(Hammer,1986).
 Vi khuẩn : Clostridium spp, Peptococcus anaerobes, Bifidobacterium spp,
Desulphovibrio spp, Corynebacterium spp, Lactobacillus, Actonomyces,
Staphylococcus và Escherichia Coli.
 Nấm : penicilium, Furasium, Mucor,…
 Protozoa: thảo trùng, trích trùng, …
IV.4 VK metan – Methanogens
Nhóm vi khuẩn metan bao gồm cả gram âm và gram dương với các hình dạng
rất khác nhau . Vi khuẩn metan tăng trưởng chậm trong nước thải và thời gian thế
hệ của chúng thay đổi từ 3 ngày ở 35
0
C và lên đến 50 ngày ở 10
0

C.
Vi khuẩn metan được chia thành 2 nhóm phụ.
• Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydrogen hóa tự
dưỡng, chuyển hóa hydro và CO
2
thành metan:
CO
2
+ 4H
2
 CH
4
+ 2H
2
O
Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa acid
bay hơi và alcol thành acetate.
• Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic , còn gọi là vi khuẩn phân giải acetate,
chúng chuyển acetate thành metan và CO
2
CH
3
COOH  CH
4
+ CO
2
CHƯƠNG 3 : BỂ UASB

I. Tổng quan và vị trí của UASB:
UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Process – Quy trình kỵ khí có tầng
bùn dòng chạy ngược.
UASB được nghiên cứu và phát triển vào cuối những năm 1970 bởi Tiến
sĩ Gatze Lettinga và các đồng nghiệp tại trường đại học Wageningen (Hà Lan). Lúc
đầu công nghệ UASB được xây dựng thí điểm để xử lý nước thải của một nhà máy
sản xuất đường từ củ cải ở Hà Lan. Sau đó, công nghệ này được nhanh chóng phát
triển và ứng dụng trên quy mô lớn trong XLNT nhà máy đường, chế biến tinh bột
khoai tây, và các ngành công nghiệp thực phẩm khác cũng như các nhà máy tái chế
giấy trên khắp đất nước Hà Lan cuối những năm 1970. Năm 1980, công nghệ
UASB được công bố và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. UASB là một trong
những phương pháp XLNT bằng biện pháp sinh học kỵ khí được ứng dụng rộng rãi
do các đặc điểm sau:
- Cả 3 quá trình: Phân hủy – Lắng bùn – Tách khí được đặt chung trong một
công trình
- Tạo thành các loại bùn hạt kỵ khí có mật độ VSV cao và tốc độ lắng vượt xa
do với lớp bùn hiếu khí lơ lửng.
Do đặc tính của bể UASB xử lý được chất hữu cơ có hàm lượng cao nhưng
không triệt để. Do đó, đối với nước thải có hàm lượng BOD cao thì trong sơ đồ
công nghệ vị trí bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí Aerotank nhằm để xử lý
triệt để chất hữu cơ trong nước thải, vì vể UASB chỉ xử lý BOD giảm về một mức
độ nhất định, không triệt để, còn bể Aerotank thì có thể xử ký được chất hữu cơ có
nồng độ thấp đạt hiếu quả cao. Do đó, bể UASB thường đặt trước bể hiếu khí. Tùy
vào chất lượng nước ra thì sau bể UASB có thể có hoặc không có bể xử lý hiếu
khí.
II. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động bể UASB:
II.1 Cấu tạo
Bể UASB chia thành 2 vùng chính:
- Vùng chứa bùn phân hủy kỵ khí: (không chiếm quá 60% thể tích bể). Là lớp
bùn hoạt tính chứa các VSV kỵ khí có khả năng phân hủy các hợp chất hữu

cơ, nước thải vào được chảy qua lớp bùn này để xử lý.
- Vùng lắng: nằm phí trên lớp bùn kỵ khí. Nước thải sau khi phân hủy sẽ di
chuyển lên vùng này để thực hiện quá trình lắng cặn.
Ngoài ra còn có hệ thống phân phối nước vào, hệ thống thu nước ra, hệ thống
thu khí và một số hệ thống phụ trợ khác.
II.2 Nguyên tắc hoạt động của bể UASB:
Nước thải được nạp liệu từ phía đáy bể, đi qua lớp bùn hạt, quá trình xử lý xảy
ra khi các chất hữu cơ trong nước thải tiếp xúc với bùn hạt. Khí sinh ra trong điều
kiện kỵ khí (chủ yếu là CH
4
và CO
2
) sẽ tạo nên dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho
quá trình hình thành và duy trì bùn sinh học dạng hạt. Khí sinh ra từ lớp bùn sẽ
dính bám vào các hạt bùn và cùng với khí tự do nổi lên phía mặt bể. Tại đây, quá
trình tách pha khí – lỏng – rắn xảy ra nhờ bộ phận tách pha. Khí theo ống dẫn qua
bồn hấp thu chứa dung dịch NaOH 5 – 10%. Bùn sau khi tách khỏi bọt khí lại lắng
xuống. Nước thải theo máng tràn răng cưa dẫn đến công trình xử lý tiếp theo.
Sự xử lý xảy ra khi nước thải đến và tiếp xúc với các hạt sinh khối và sau đó đi
ra khỏi thiết bị từ phía trên của thiết bị. Trong suốt quá trình này thì sinh khối với
đặc tính lắng cao sẽ được duy trì trong thiết bị. Một trong những bộ phận quan
trọng của thiết bị UASB đó là bộ phận tách khí - lỏng - rắn ở phía trên của thiết bị.
Trong quá trình xử lý nước thải, lượng khí tạo ra chủ yếu là CH
4
và CO
2
tạo nên sự
lưu thông bên trong giúp cho việc duy trì và tạo ra hạt sinh học. Các bọt khí tự do
và các hạt khi thoát lên tới đỉnh của bể tách khỏi các hạt rắn và đi vào thiết bị thu
khí. Dịch lỏng chứa một số chất còn lại và hạt sinh học chuyển vào ngăn lắng, ở đó

chất rắn được tách khỏi chất lỏng và quay trở lại lớp đệm bùn, nước thải sau đó
được thải ra ngoài ở phía trên của thiết bị.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9m/h
(nếu bùn ở dạng bùn hạt), pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động
trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để
bảo đảm pH của nước thải luôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2 – vi sinh vật chuyển hóa
methane không hoạt động được. Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh
vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2 – 3 giờ ở 35
0
C so
với 2 – 3 ngày, ở điều kiện tối ưu). Do đó, trong quá trình vận hành ban đầu, tải
trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ
bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hóa các acid này
thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hóa.
III. Hoạt động của bùn trong bể UASB
Đóng vai trò quyết định trong việc phân huỷ và chuyển hoá chất hữu cơ.
Chia thành 2 vùng rõ rệt và chiều cao ¼ bể từ đáy tính lên.
Lớp bùn hình thành do các hạt cặn keo tụ nồng độ 5 ÷ 7%. Lớp bùn lơ lửng nồng
độ 1000 ÷ 3000mg/l.
Nồng độ cao của bùn cho phép bể làm việc với tải trọng chất hữu cơ cao.
Bùn nuôi cấy ban đầu
Bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính metan. Độ hoạt tính metan ngày càng
cao thì thời gian khởi động càng ngắn. Nếu sử dụng được bùn hạt hoặc bùn lấy từ
một bể xử lý kỵ khí là tốt nhất. Ngoài ra có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu
cơ như bùn từ bể tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng.
Loại bùn
Hoạt tính mêtan
(kg CH
4
– COD/kg VSS)

Hàm lượng
(kg VSS/m
3
)
Bùn hạt 0,8 ÷ 1,5 15 ÷ 35
Bùn từ các bể xử lý lý kỵ khí khác 0,4 ÷ 1,2 10 ÷ 25
Bùn cống rãnh 0,02 ÷ 0,1 8 ÷ 20
Phân chuồng 0,02 ÷ 0,08 20 ÷ 80
Bùn bể tự hoại 0,01 ÷ 0,02 15 ÷ 50
Phân bò tươi 0,001 ÷ 0,006 30 ÷ 100
Phân gia súc khác 0,001 ÷ 0,004 30 ÷ 100
Nồng độ bùn nuôi cấy ban đầu cho bể UASb tối thiêt là 10 kgVSS/m
3
. Lượng
bùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể.
Khi mới nuôi cấy, vận tốc nước bơm vào bể phải đủ nhỏ để không đẩy bùn ra
ngoài. Mặt khác, chất lượng nước đầu vào nên pha loãng trước khi bơm vào bể để
giảm nồng độ COD nhằm giúp VSV phát triển tốt. Cần chú ý đến lượng khí sinh ra
để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan.
IV. Lý thuyết Spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt
IV.1 Những đặc tính của bùn hạt kỵ khí
Bùn hạt được xem là một sinh khối có một số đặc tính xác định. Các đặc tính
của bùn hạt được nêu lên bởi bao gồm: vận tốc lắng cao, có một độ bền cơ học
nhất định, hoạt tính tạo khí methan và hoạt tính khử sunfate cao. Về phương diện
vi sinh học, bùn hạt bao gồm một hệ vi sinh vật cân bằng, nó bao gồm tất cả các
loài vi khuẩn cần thiết cho quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước
thải.
Về mặt hình thái học, bùn hạt được mô tả là một hạt rắn có kích thước tương
đối lớn (d > 0.5 mm) với một bề mặt rõ ràng. Cùng với mật độ tương đối cao, hình
thái học ổn định, bùn hạt có khả năng lắng rất tốt.

Trái ngược với các dạng sinh khối ổn định khác, các phần tử vật chất mang tính
trơ không những đóng vai trò hết sức cần thiết trong sự hình thành bùn hạt kỵ khí
mà còn là một trong những yếu tố rất quan trọng có liên quan đến khả năng ổn định
của chúng. Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt
của bùn được mô tả trong Hình 1.
Hình 1. Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của
bùn [5]
IV.2 Chất lượng bùn hạt
Chất lượng của bùn hạt phụ thuộc vào nhiều đặc tính: các đặc tính sinh học và
các đặc tính vật lý của bùn. Các đặc điểm lý học quan trọng nhất của bùn hạt trong
các mô hình là: khả năng lắng và độ bền cơ học. Tất nhiên các quá trình sinh học
được xác định chủ yếu bởi thành phần và số lượng các loài vi sinh vật, nhưng các
nhân tố khác cũng đóng vai trò quan trọng, ví dụ như độ xốp của bùn hạt, kích
thước hạt nhân của bùn và độ thẩm thấu của cơ chất và các sản phẩm khác vào bùn
hạt.
IV.3 Cơ chế tạo hạt của bùn
Sự hình thành bùn hạt trong thực tế là một quá trình tự nhiên. Hiện tượng này
thường xuất hiện trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải dùng công nghệ sinh học
đáp ứng được những điều kiện cơ bản. Một trong những lý thuyết để giải thích quá
trình tạo hạt của bùn là lý thuyết “spaghetti”, trong đó vi sinh vật dạng sợi đan xen
vào nhau tạo thành một viên nấm (viên spaghetti). Các viên ban đầu này có thể
hình thành một bề mặt lôi kéo các vi sinh vật khác tham gia vào quá trình phân huỷ
kỵ khí và hình thành bùn hạt. Cơ chế tạo thành bùn hạt có thể được minh hoạ trong
Hình 2.