NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ AAO VỚI SỢI VẬT LIỆU ĐỆM

KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH (QM491DV01)
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ
AAO VỚI SỢI VẬT LIỆU ĐỆM

Người hướng dẫn : Nguyễn Xuân Quỳnh Như
Lớp : QM111
Sinh viên
: Ngô Hoàng Quốc An
MSSV:
Sinh viên
Sinh viên
Sinh viên
Sinh viên

HK14.1A

2002197

: Ngô Huỳnh Ân
MSSV:
2002198
: Nguyễn Vân Duy
MSSV:
2002221
: Huỳnh Đức
MSSV:
2002188
: Nguyễn Văn Thành Nhân MSSV:

2000021


LỜI MỞ ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người. Nước trong tự nhiên bao gồm
toàn bộ nước từ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối, nước ngầm... Trên trái đất
nước ngọt chiếm một tỉ lệ rất nhỏ so với nước mặn. Nước mặt rất cần thiết cho sự sống và
phát triển, nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng
sinh hóa và tạo nên các tế bào mới. Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước thì ở đó có sự
sống.
Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ. Sau khi sử
dụng thì nước trở thành nước thải và chúng sẽ bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau.
Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của các ngành công, nông
nghiệp… Chúng đã để lại rất nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi
trường nước. Vấn đề này đang là mối nguy đáng lo ngại rất nhiều người cũng như rất
nhiều quốc gia trên thế giới.
Ở Việt Nam hiện nay toàn bộ nước thải sinh hoạt chưa được xử lý và được thải bỏ ra
sông, hồ, ao các con kênh, rạch... Vì vậy, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước và bốc
mùi khó chịu, làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người
và các loài động thực vật sống gần khu vực xã thải.
Với tình trạng ô nhiễm nguồn nước như hiện nay ở nước ta. Qua những môn mà chúng
tôi đã học và được sự hướng dẫn nhiệt tình của giảng viên đã cho chúng tôi những kiến
thức và kinh nghiệm để chúng tôi có thể hoàn thành đồ án với việc áp dụng sử dụng vật
liệu đệm trong mô hình AAO, hiệu quả xử lý cao làm giảm nồng độ ô nhiễm của nước
thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng.

i


LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin gửi lời chân thành cám ơn đến Cô Nguyễn Xuân Quỳnh Như đã hướng
dẫn tận tình giúp chúng tôi có thể hoàn thành đề tài một cách tốt nhất.
Xin gởi lời cảm ơn đến các tác giả bài viết, các trang web đã góp phần cung cấp cho
chúng tôi các thông tin cần thiết và tài liệu bổ ích cho đề tài này.
Trong quá trình làm bài báo cáo này, chúng tôi khó tránh khỏi những sai sót. Mặc dù,
chúng tôi đã rất cố gắng nên chưa thể khắc phục hết được. Rất mong được sự góp ý kiến,
phê bình của thầy, cô để chúng tôi rút kinh nghiệm cho những bài về sau.

ii


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... II
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..............................................................................................VI
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ ............................................................ VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ VIII
CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU ................................................................................................. 9

1.1.

Giới thiệu chung ............................................................................................ 9

1.2.

Mục tiêu đề tài ............................................................................................. 10

1.3.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 10
1.3.1. Nội dung nghiên cứu ...................................................................... 10
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 10

1.4.

Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................ 10
1.4.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................ 10
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................ 11

1.5.

Tính mới của đề tài ...................................................................................... 11

1.6.

Giới hạn của đề tài....................................................................................... 11

CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ AAO ................................................. 12

2.1.

Tổng quan về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt .............................. 12

2.2.

Lý thuyết về công nghệ xử lý nước thải ...................................................... 12

2.3.

Lý thuyết về công nghệ AAO ..................................................................... 13
2.3.1. Khái niệm chung ............................................................................. 13
2.3.2. Qúa Trình Anaerobic (Qúa trình kỵ khí) ........................................ 16
2.3.3. Qúa trình oxic (Hiếu khí)................................................................ 19
2.3.4. Qúa trình loại bỏ chất hữu cơ ......................................................... 21

iii


2.3.5. Quá trình loại bỏ photpho ............................................................... 24
2.3.6. Ứng dụng công nghệ AAO ............................................................. 26
CHƯƠNG 3.
3.1.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................. 28
Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 28
3.1.1. Nước thải ........................................................................................ 28
3.1.2. Mô hình nghiên cứu ........................................................................ 28
3.1.3. Cấu tạo mô hình .............................................................................. 28
3.1.4. Nguyên tắc hoạt động ..................................................................... 29

3.2.

Nội dung thí nghiệm .................................................................................... 30
3.2.1. Giai đoạn thích nghi ....................................................................... 30

CHƯƠNG 4.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ......................................... 35

4.1.

Nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ ...................................................... 35

4.2.

Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ .................................................................. 38
4.2.1. Chỉ tiêu Amonia.............................................................................. 38
4.2.2. Chỉ tiêu Nitrat ................................................................................. 40
4.2.3. Chỉ tiêu Nitrit .................................................................................. 43

4.3.

Nghiên cứu khả năng xử lý photpho ........................................................... 45
4.3.1. Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg
PO4/m3.ng(tải trọng COD 0,96kgCOD/m3.ngày) ....................................... 45
4.3.2. Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.013 kg
PO4/m3.ng .................................................................................................... 46
4.3.3. Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg
PO4/m3.ng(tải trọng COD 1,344kgCOD/m3.ngày) ..................................... 46

4.4.
CHƯƠNG 5.
5.1.

Bàn luận....................................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 49

Kết luận ....................................................................................................... 49

iv


5.2.

Kiến nghị ..................................................................................................... 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 51
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 52

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Các thông số đầu vào của nước thải sinh hoạt được sử dụng trong báo cáo. .... 28
 
Bảng 3.2 Thông số thiết kế và vận hành mô hình thí nghiệm AAO ................................. 28
 
Bảng 3.3 Kết quả sau nuôi bùn trong thời gian 7 ngày. .................................................... 31
 
Bảng 3.4 Bảng tải trọng chất hữu cơ đầu vào theo thời gian lưu nước ............................. 32
 
Bảng 3.5 Bảng tải trọng Nitơ tổng đầu vào thay đổi theo thời gian lưu nước .................. 32
 
Bảng 3.6 Bảng tải trọng Photpho tổng đầu vào thay đổi theo thời gian lưu nước ............ 33
 
Bảng 3.7 Kết quả chạy thích nghi ở các tải trọng khác nhau. ........................................... 34
 

Bảng 4.1 Tải trọng COD và hiệu suất xử lý ...................................................................... 35
 
Bảng 4.2 Tải trọng Amonia và hiệu suất xử lý.................................................................. 38
 
Bảng 4.3 Tải trọng Nitrat và hiệu suất xử lý ..................................................................... 40
 
Bảng 4.4 Tải trọng Nitrit và hiệu suất xử lý ...................................................................... 43
 
Bảng 4.5 Tải trọng Phosphate và hiệu suất xử lý .............................................................. 45
 
Bảng 5.1 Kết quả xử lý COD theo giờ ở tải trọng 0,96 kg COD/m3.ngày ........................ 52
 
Bảng 5.3 Kết quả xử lý COD theo giờ ở tải trọng 1,152 kg COD/m3.ng .......................... 52
 
Bảng 5.4 Kết quả xử lý COD theo giờ ở tải trọng 1,344 kg COD/m3.ng .......................... 53
 
Bảng 5.5 Kết quả xử lý nitơ Amonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng ............... 53
 
Bảng 5.6 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng ........... 54
 
Bảng 5.7 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng ........... 54
 
Bảng 5.8 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.027 kg NO3/m3.ng ......................... 55
 
Bảng 5.9 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.018 kg NO3/m3.ng ......................... 55
 
Bảng 5.10 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.025 kg NO3/m3.ng ........................ 56
 
Bảng 5.11 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng.................... 56
 

Bảng 5.12 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.006 kg NO2/m3.ng.................... 57
 
Bảng 5.13 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng.................... 57
 
Bảng 5.14 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng ........... 58
 
Bảng 5.15 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.013 kg PO4/m3.ng ........... 58
 
Bảng 5.16 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng ........... 59
 

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 2.1 Mô hình hoạt động quá trình AAO truyền thống ............................................... 13
 
Hình 2.2 Phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí ............................................... 17
 
Hình 3.1 Mô hình hệ thống AAO ...................................................................................... 29
 
Biểu đồ 4.1 Sự thay đổi COD qua các giờ ở tải trọng 0,96 kg COD/m3.ngày ................. 35
 
Biểu đồ 4.2 Sự thay đổi COD qua các giờ ở tải trọng 1,152 kg COD/m3.ng .................... 36
 
Biểu đồ 4.3 Sự thay đổi COD qua các giờ ở tải trọng 1,344 kg COD/m3.ng ................... 37
 
Biểu đồ 4.4 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng ....... 38
 
Biểu đồ 4.5 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng ....... 39

 
Biểu đồ 4.6 Kết quả xử lý nitơ Ammonia theo giờ ở tải trọng 0.066 kg NH3/m3.ng ....... 39
 
Biểu đồ 4.7 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.027 kg NO3/m3.ng ..................... 41
 
Biểu đồ 4.8 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.018 kg NO3/m3.ng ..................... 41
 
Biểu đồ 4.9 Kết quả xử lý Nitrat theo giờ ở tải trọng 0.025 kg NO3/m3.ng ...................... 42
 
Biểu đồ 4.10 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng ............... 43
 
Biểu đồ 4.11 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.006 kg NO2/m3.ng ............... 44
 
Biểu đồ 4.12 Kết quả xử lý Nitrit qua các giờ ở tải trong 0.003 kg NO2/m3.ng ............... 44
 
Biểu đồ 4.13 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng ....... 45
 
Biểu đồ 4.14 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.013 kg PO4/m3.ng ....... 46
 
Biểu đồ 4.15 Kết quả xử lý Phosphate theo các giờ ở tải trọng 0.018 kg PO4/m3.ng ....... 47
 

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAO

Anaerobic (Yếm khí) – Anoxic (Thiếu khí) – Oxic (Hiếu khí).

BOD

Biochemical oxygen demand (nhu cầu oxy sinh hóa)

DO

Disoved Oxygen (Hàm lượng oxy hoà tan trong nước)

MBBR

Moving bed biofilm reactor (quá trình xử lý nhân tạo trong đó sử dụng các vật
làm giá thể)

MLSS

Mixed Liquoz Suspended Solids (nồng độ chất rắn trong bùn lỏng)

rbBOD

Readily biodegradable BOD (BOD nhanh chóng phân hủy sinh học)

SRT

Sludge retention time (thời gian lưu bùn)

SVI

Sludge Volume Index (chỉ số thể tích bùn)

VSV

Vi sinh vật

viii


CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU

1.1. Giới thiệu chung
Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các hoạt
động dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vui chơi giải trí… Nước thải
sinh hoạt của hộ gia đình thường được chia làm 2 loại: nước thải từ nhà vệ sinh chứa các
chất ô nhiễm chủ yếu là các chất hữu cơ, các loại vi sinh vật gây bệnh và nước thải từ các
quá trình tắm, giặt, nấu ăn với các thành phần chất ô nhiễm không đáng kể. Các thành
phần ô nhiễm chính đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường là COD, N, P. Trong đó
hàm lượng N và P là rất lớn trong nước thải sinh hoạt, nếu không được loại bỏ thì chúng
sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa.
Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các
loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lý
nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào
nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng. Việc lựa chọn phương pháp xử lý nước thải
sinh hoạt thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước
thải, căn cứ dựa vào chất thải sinh hoạt sau khi đã phân loại. Hiện nay, có rất nhiều
phương pháp xử lý thông dụng nhưng vẫn còn gặp những hạn chế nhất định như: phương
pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống
xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô lớn, các hệ thống xử lý hoá lý thì lại quá phức tạp
và khó vận hành….
Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không quá khắt khe đối

với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học
thường được ứng dụng nhất.
Trong quá trình nghiên cứu các phương pháp xử lý chúng tôi đã tìm hiểu được mô
hình AAO. Mô hình AAO là một trong những mô hình kết hợp các phương pháp sinh học
để xử lý nước thải sinh hoạt: sau khi xử lý cấp 1 nước thải sẽ được chảy vào bể bùn hoạt
tính yếm khí (Anaerobic Tank), tiếp đến sẽ chảy vào bể vi sinh hiếu khí (Aerobic), vi
sinh vật sống bám trên các hạt bùn trong các bể, tại đây sẽ diễn ra quá trình vi sinh vật
oxi hoá chất hữu cơ tốc độ cao, sau quá trình này thì các chất vô cơ và hữu cơ có trong
nước thải vì thế mà giảm dần, quá trình này đặc biệt giảm đi đáng kể hàm lượng Nitơ
tổng (Total- Nitrogen) và Photpho tổng ( Total – Phosphase).

9


1.2. Mục tiêu đề tài
Ứng dụng công nghệ AAO kết hợp lớp vật liệu đệm để xử lý nước thải sinh hoạt
có hàm lượng chất hữu cơ cao.

1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1.3.1. Nội dung nghiên cứu
• Nội dung 1: Tìm hiểu lý thuyết về công nghệ AAO.
• Nội dung 2: Thiết kế, lắp đặt mô hình công nghệ AAO kết hợp lớp vật liệu đệm.
• Nội dung 3: Nuôi bùn sinh họa và chạy thích nghi mô hình.
• Nội dung 4: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng các thí nghiệm.
- Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt.
- Nghiên cứu khả năng loại bỏ Nitơ trong nước thải sinh hoạt.
- Nghiên cứu khả năng loại bỏ Photpho trong nước thải sinh hoạtc.
- Nội dung 5: Xử lý số liệu và giải thích.
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.

• Phương pháp lấy mẫu và phân tích chỉ tiêu chất lượng nước thải.
• Phương pháp tổng hợp tài liệu.
• Phương pháp chuyên gia: hỏi ý kiến và tư vấn của thầy cô, anh chị trong ngành.
• Phương pháp vẽ đồ thị: lập đồ thị theo dõi chất lượng nước trước và sau xử lý.
• Phương pháp thống kê và xử lý số liệu.

1.4. Ý nghĩa của đề tài
1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• Nghiên cứu kết hợp quá trình tăng trưởng vi sinh lơ lửng và bám dính trong cùng
một hệ thống của quá trình AAO nhằm tăng cường hiệu quả xử lý giảm chi phí
vận hành và xây dựng.
• Theo dõi khả năng xử lý của hệ thống AAO với nước thải sinh hoạt có hàm lượng
chất hữu cơ cao trong thực tế.
• Mô hình AAO cải tiến có chất lượng và khả năng xử lý cao hơn.
• Nghiên cứu kế thừa các nghiên cứu về quá trình AAO trong xử lý nước thải trong
và ngoài nước.

10


• Kết quả nghiên cứu của đề tài được thu thập từ quá trình nghiên cứu thực nghiệm
có căn cứ khoa học rỏ ràng.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• Mặc dù nước thải sinh hoạt có nồng độ chất ô nhiễm thấp và lưu lượng thải ra lớn
nên mức độ gây ô nhiễm rất cao. Công nghệ AAO có ưu điểm xử lý triệt để đồng
thời COD, Nitơ, Photpho trong một hệ thống nhằm đáp ứng yêu cầu xả thải
nghiêm ngặt theo tính chất môi trường Việt Nam hiện tại và trong tương lai.
• Áp dụng thích hợp cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt vừa và nhỏ, chi
phí đầu tư vận hành thấp, tiết kiệm diện tích xây dựng, chi phí xây dựng.
• Đưa mô hình AAO vào sử dụng rộng rãi trong thực tế do:

- Chi phí thiết kế cũng như vận hành của hệ thống thấp.
- Chi phí năng lượng ít hơn và vận hành thuận lợi.
- Mô hình đơn giản nhưng hiệu quả xử lý cao.
• Mô hình có khả năng xử lý cao do quá trình màng có thể loại bỏ chất ô nhiễm rộng
hơn vì chuỗi thức ăn dài trong màng sinh học có số lượng phong phú và sự hiện
diện của nhiều loài vi sinh khác nhau của metozoa, protozoa, vi khuẩn và nấm.

1.5. Tính mới của đề tài
Công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm ở trong nghiên cứu này là quá trình mang
bản chất sinh trưởng bám dính bao gồm các giai đoạn kỵ khí (Anaerobic) nối tiếp thiếu
khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic). Đây là quá trình khác biệt so với quá trình AAO với hệ
bùn hoạt tính truyền thống, đó là sinh khối phát triển và dính bám vào bề mặt chất mang.
Việc ứng dụng công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt là
điểm mới của nghiên cứu.

1.6. Giới hạn của đề tài
Đề tài chỉ đo đạc khả năng xử lý của hệ thống với các chỉ tiêu như: NH3, PO4,
COD, SVI. Vì mục tiêu của hệ thống là xử lý nước thải sinh hoạt và các loại nước thải có
thành phần chất hữu cơ cao nên các chỉ tiêu trên luôn là thành phần quan trọng trong
nước thải sinh hoạt. Dựa trên các chỉ tiêu đó có thể đánh giá được khả năng xử lý của hệ
thống AAO vì hệ thống tối ưu xử lý các chỉ tiêu nêu trên.

11


CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ AAO

2.1. Tổng quan về thành phần tính chất nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải từ khu dân cư, cao ốc, văn phòng, resort,
trường học…lưu lượng nước thải này chủ yếu phát sinh từ các nguồn như: tắm rửa, giặt
giũ, nấu nướng, rửa nhà, nước thải vệ sinh…
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều thành phần chất hữu cơ (BOD),
Cặn lơ lửng, Amoni, Tổng Nitơ, Photpho, mùi và nhiều vi sinh vật gây bệnh.
Thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm cơ bảng chi tiết ở bảng sau:
STT

Thông số

Đơn vị

Kết quả

-

6.5 – 8.5

1

pH

2

BOD5

mg/l 250 – 400

3

COD

mg/l 400 – 700

4

SS

mg/l 300 – 400

5

Tổng Nitơ

mg/l

60

6

Tổng photpho

mg/l

6.86

2.2. Lý thuyết về công nghệ xử lý nước thải
• Tuỳ vào trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân
tạo có thể chia thành:
• Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật tồn tại ở dạng lơ lửng chủ yếu sử dụng khử

chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng...
• Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật tồn tại ở dạng dính bám như quá trình bùn
hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng
nitrate hoá với màng cố định
• Xử lý nước thải bùn hoạt tính hiếu khí: trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với sinh
vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quá trình phân huỷ xảy ra khi nước thải tiếp xúc với
bùn trong điều kiện sục khí liên tục quá trình sục khí liên tục nhằm cung cấp một
lượng oxi ổn định. Quá trình này sẽ giúp cho phản ứng oxi hóa diễn ra nhanh
đồng thời các chất ô nhiễm tích tụ một phần vi sinh vật hấp thụ cho giai đoạn
hình thành tế bào một phần tạo ra năng lượng cung cấp cho quá trình phân hủy
các chất hữu cơ bị oxy hoá hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-...

12


• Xử lý sinh học VSV tăng trưởng dính bám. Bể bùn hoạt tính với VSV dính bám.
Phương pháp này tương tự như VSV dạng lơ lửng chỉ khác vi sinh vật phát triển
dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong bể. Phương pháp này có ưu điểm vượt
trội hơn thời gian xử lý cũng như tốc độ xử lý nhanh giảm được quá trình tiêu hao
nhiều năng lượng. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong quá trình xử lý
ô nhiễm nước thải.
• Cùng với sự phát triển của các vật liệu làm giá thể mới thì nhiều công nghệ ứng
dụng quá trình sinh trưởng bám dính ngày càng được quan tâm kể từ những năm
1980 cho việc loại bỏ chất dinh dưỡng trong nước thải (Min Zhang et al., 1998),
trong đó có công nghệ AAO.

2.3. Lý thuyết về công nghệ AAO
2.3.1. Khái niệm chung
AAO là viết tắt của các cụm từ Anaerobic (kỵ khí) – Anoxic (thiếu khí) – Oxic
(hiếu khí). Công nghệ AAO là quy trình xử lý sinh học liên tục ứng dụng nhiều hệ VSV

khác nhau: hệ vi sinh vật kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí để xử lý nước thải. Công nghệ AAO
với sợi vật liệu đệm ở trong nghiên cứu này là quá trình mang bản chất sinh trưởng bám
dính bao gồm các giai đoạn kỵ khí (Anaerobic) nối tiếp thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí
(Oxic). Đây là quá trình khác biệt so với quá trình AAO với hệ bùn hoạt tính truyền
thống, đó là sinh khối phát triển và dính bám vào bề mặt chất mang.

Hình 2.1 Mô hình hoạt động quá trình AAO truyền thống
13


Hệ thống này thực hiện quá trình loại bỏ cacbon hữu cơ, nitrat hoá, khử nitrat và
loại bỏ photpho. Nước thải được tuần hoàn từ ngăn hiếu khí về ngăn thiếu khí để tăng
cường hiệu quả khử nitrat, còn bùn được tuần hoàn từ ngăn lắng về ngăn kỵ khí để giải
phóng photphat. Trong hệ thống này, vi khuẩn khử nitrat đóng vai trò quan trọng trong
việc loại bỏ nitơ và VSV tích lũy photphat (PAOs) đóng vai trò quan trọng trong việc loại
bỏ photpho sinh học (EBPR). Cả hai loại vi khuẩn này đòi hỏi nguồn cacbon (hoặc COD)
để thực hiện các phản ứng một cách độc lập. Do đó, giá trị COD là một yếu tố giới hạn
cần thiết khi đồng thời loại bỏ nitơ và photpho, đặc biệt dưới điều kiện C/N hoặc C/P
dòng vào không thích hợp. Sorm et. al., (1997) chỉ ra rằng nhu cầu COD đồng thời đã tạo
ra hiệu quả khử nitrate thấp, bởi vì cơ chất hữu cơ bị cô lập bởi PAOs dưới điều kiện kỵ
khí, kết quả là không có cơ chất cho vi khuẩn khử nitơ trong điều kiện thiếu khí. Vì vậy
việc sử dụng VSV tích lũy photphate khử nitrat (DNPAOs) có thể làm giảm sự cạnh
tranh về COD giữa quá trình khử nitrat hóa và quá trình loại bỏ photpho bởi vì chúng có
thể xử lý nitrat và photphat bằng việc sử dụng các nguồn cacbon giống nhau. Tuy nhiên,
có một số mâu thuẫn khi áp dụng hệ thống bùn đơn lẻ để loại bỏ đồng thời nitơ và
photpho. Đầu tiên, sự sinh trưởng của các vi khuẩn nitrat hóa chậm hơn các vi khuẩn dị
dưỡng (như vi khuẩn khử COD). Vì vậy, quá trình vận hành với SRT kéo dài để thực
hiện quá trình nitrat hóa. Nhưng theo hướng khác, hệ thống cần phải vận hành với SRT
ngắn để tăng cường loại bỏ photpho. Thứ hai, nguồn cacbon thường không đủ cho quá
trình khử nitrat hóa khi (a) bể thiếu khí đặt sau bể kỵ khí và (b) các axit béo mạch ngắn

được sử dụng chủ yếu cho việc giải phóng photpho trong bể kỵ khí
Sử dụng màng trong hệ thống có một số đặc tính và ưu, nhược điểm sau:
Ưu điểm:
• Màng vi sinh có trong bể phản ứng xử lý nitơ có hiệu quả tùy thuộc vào việc sử
dụng các vi khuẩn như vi khuẩn nitrat hóa có tốc độ sinh trưởng chậm và thời
gian phát sinh kéo dài.
• So với quá trình bùn hoạt tính thì quá trình màng có khả năng loại bỏ chất ô
nhiễm rộng hơn do chuỗi thức ăn dài trong màng sinh học có số lượng phong
phú và sự hiện diện của nhiều loài khác nhau của metozoa, protozoa, vi khuẩn và
nấm.
• Khả năng xử lý trên mỗi đơn vị thể tích của quá trình màng cao hơn so với quá
trình bùn hoạt tính do lượng sinh khối tính trên mỗi đơn vị thể tích của màng vi
sinh cao hơn.
14


• Lượng bùn dư sinh ra ít hơn so với quá trình bùn hoạt tính.
• Chi phí năng lượng ít hơn và vận hành thuận lợi.
• Có khả năng chịu sự biến đổi về thủy lực và tải trọng chất hữu cơ cao.
Nhược điểm:
• Tuy nhiên quá trình màng cũng có nhược điểm là các phần tử nhỏ bé của lớp
màng kỵ khí bị vỡ ra có khả năng lắng kém làm cho độ đục ở dòng ra cao.
Quá trình màng sinh học với một lớp đệm dính bám với tuổi bùn cao, nồng độ sinh
khối cao và ổn định trong quá trình vận hành. Màng sinh học có thể được sử dụng để giải
quyết những mâu thuẫn được đề cập như trên, thêm đó là quá trình màng cố định ngập
hoàn toàn cung cấp những lớp đệm dính bám cho vi khuẩn (Lee et al., 1996; Su and
Ouyang, 1996).
Sử dụng công nghệ AAO với sợi vật liệu đệm trong xử lý nước thải sinh hoạt có
nhiều ưu điểm nổi bật như:
• Công nghệ AAO kết hợp giữa công nghệ kỵ khí (anaerobic) - thiếu khí (anoxic) và

hiếu khí (oxic) cho phép vừa giảm được chất ô nhiễm hữu cơ vừa giảm được các
chất dinh dưỡng dư thừa trong nước thải.
• Ưu điểm nổi bật của công nghệ kỵ khí là tiết kiệm năng lượng, do không cần phải
cấp không khí.
• Áp dụng công nghệ kỵ khí trong phân hủy bùn dư đảm bảo tiêu diệt được các vi
khuẩn gây bệnh trong bùn từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt.
• Công nghệ sinh học kỵ khí hoạt động với tải trọng phân hủy hữu cơ tương đối cao,
nên cũng dẫn đến việc tiết kiệm mặt bằng một cách đáng kể. Ngoài ra công nghệ
sinh học kỵ khí còn cho phép chịu biến động mạnh về tải lượng hữu cơ.
• Tác dụng đệm của ngăn hiếu khí để khắc phục quá tải: Thời gian lưu nước thải dài
và tất cả lượng nước thải tập trung trong một ngăn nên ngăn hiếu khí vừa có tác
dụng oxy hóa chất hữu cơ vừa là một bể đệm cực kỳ hiệu quả do đó sẽ ít xảy ra sự
cố.
Trong mô hình AAO, quá trình chất hữu cơ và chất dinh dưỡng được loại bỏ diễn
ra trong ba ngăn kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí.

15


2.3.2. Qúa Trình Anaerobic (Qúa trình kỵ khí)
2.3.2.1. Cơ sở quá trình phân hủy kỵ khí:
Quá trình phân hủy kỵ khí là những quá trình phân hủy chất hữu cơ và vô cơ trong
điều kiện không có oxy phân tử của không khí bởi các VSV kỵ khí. Quá trình phân hủy
kỵ khí các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể hợp thành bốn giai đoạn xảy ra như
sau:
v Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của các enzym thủy phân do vi sinh vật tiết
ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân: hydratcacbon (kể cả các chất không hòa tan)
phức tạp sẽ thành các đường đơn giản; protein thành albumoz, pepton, peptit, axit
amin; lipid thành glycerin và các axit béo. Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ thuỷ
phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân huỷ của cơ chất.

v Giai đoạn axit hoá: Vi khuẩn lên men sẽ chuyển hoá các đường, axit amin, axit
béo tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (propionic, butyric, acetic,
lactic...), các alcohol (ethanol, methanol, glycerol), aceton, acetate, CO2, H2, NH3,
H2S và sinh khối mới. Đặc trưng của pha axit này tạo thành axit làm cho pH có thể
xuống dưới 5 và sinh mùi.
v Giai đoạn acetic hoá: Các vi khuẩn như Syntrobacter wolinii và Syntrophomonas
wolfei chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn axit hoá thành acetate, CO2, H2 và
sinh khối mới.
v Giai đoạn metan hoá: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân huỷ kỵ khí.
Các vi khuẩn metan hóa như Methanobacillus, Methanococcus, Methanobacterium
và Methanosarcina sẽ chuyển hoá các sản phẩm của giai đoạn acetic hoá thành hỗn
hợp các khí chủ yếu là CH4 và CO2. Ngoài ra còn tạo thành một số khí khác như
H2, N2, H2S và một ít muối khoáng pH của môi trường tăng lên. Các axit tác dụng
với CO2 tạo thành các muối cacbon, tạo cho môi trường có tính đệm rất tốt, khi
cho thêm nhiều axit vào môi trường thì nồng độ H+ vẫn không thay đổi. Vi khuẩn
metan được chia làm hai nhóm phụ:
o Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic nghĩa là sử dụng hydro hoá tự
dưỡng: chuyển hoá H2 và CO2 thành CH4:
CO2 + 4H2 à CH4 + 2H2O
Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hoá axit
bay hơi và alcohol thành acetate.

16


o Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic, còn gọi là vi khuẩn phân giải acetate,
chúng chuyển hoá acetate thành CH4 và CO2
Chất hữu cơ phức tạp (hydratcacbon, protein, lipit)

Chất hữu cơ đơn giản

(đường, peptit, axit amin)

Axit bay hơi
(Propionic, butyric…)

H2,CO2

Acetate
CH4, CO2

Hình 2.2 Phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí

CH3COOH à CH4 + COQuá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ
khí sinh ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí, trong đó CH4 chiếm tới 60 - 75%. Vì vậy
quá trình này còn gọi là quá trình lên men metan.
Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí hay là lên men metan là
một quá trình phức tạp. Tham gia vào quá trình có rất nhiều loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc
và không bắt buộc. Chúng có thể tiến hành phân hủy cơ chất ở nhiệt độ từ 10oC đến trên
45oC. Các vi khuẩn tham gia vào quá trình này được chia làm hai nhóm là nhóm vi khuẩn
không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan. Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy
cảm với môi trường, đặc biệt là rất dễ bị ức chế bởi sự có mặt của các kim loại nặng có
trong môi trường. Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản như
axit formic, butyric, metanol, etanol, H2, CO2, CO. Để các vi khuẩn sinh khí metan phát
triển bình thường trong môi trường cần phải có đủ CO2 và các hợp chất chứa nitơ. Nguồn
nitơ tốt nhất là amon cacbonat và amon clorua. Đặc biệt là vi khuẩn sinh metan không sử

17


dụng nitơ trong các axit amin. Để quá trình lên men tiến hành bình thường thì lượng nitơ

cần thiết trong môi trường theo tỷ lệ C/N là 20:1.
2.3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí:
Vi khuẩn metan chịu trách nhiệm chính trong quá trình xử lý kỵ khí, phát triển rất
chậm so với vi khuẩn hiếu khí và do đó nó cần nhiều thời gian để thích nghi với sự biến
đổi tải trọng, nhiệt độ, và những điều kiện khác. Chính vì thế, các giải pháp thiết kế và
vận hành cần phải được xem xét trong các điều kiện môi trường tối ưu để đạt hiệu quả xử
lý cao và nhanh.
• Nhiệt độ: so với quá trình hiếu khí thì quá trình kỵ khí đòi hỏi nhiệt độ nghiêm
ngặt hơn nhiều. Nó ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của hệ thống. Tốc độ chuyển
hoá cực đại tại nhiệt độ 35 - 40oC đối với vi khuẩn mesophilic và đối với vi khuẩn
thermophilic là 55 - 60oC. Tốc độ phản ứng giảm nếu nằm ngoài khoảng nhiệt độ trên.
Nhìn chung hệ thống thường thiết kế theo mức mesophilic hoặc thấp hơn.
• Ảnh hưởng của oxy và các chất ức chế: một yêu cầu khác trong quá trình kỵ khí
là phải duy trì điều kiện không có oxy. Một lượng nhỏ oxy có thể làm ảnh hưởng đến vi
khuẩn sinh metan và những loại VSV kỵ khí khác. Chính vì thế, bể thường phải được
đóng kín và khí metan sinh ra được thu lại để làm nguồn nhiệt.
• Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng: cũng như vi sinh vật hiếu khí, các chất dinh
dưỡng chủ yếu bao gồm N, P, K, S, Mg, Ca, Fe, Na, Cl và các chất vi lượng Zn, Mn, Mo,
Se, Co, Cu, Ni. Tỷ lệ chất dinh dưỡng cần cho vi sinh vật hiếu khí phát triển là COD:N:P
= 200:5:1. Tuy nhiên, một số nước thải không đáp ứng được điều này, do đó cần thiết
phải bổ sung thêm chất dinh dưỡng.
• Ảnh hưởng của pH: pH cũng là một yêu cầu quan trọng trong quá trình kỵ khí, quá
trình kỵ khí hoạt động tốt ở pH từ 6,6 - 7,6 nhưng tối ưu là 7,0 - 7,2. Khi pH dưới 6,2,
môi trường axit trong bể có thể làm nguy hại đối với vi khuẩn metan.
• Ảnh hưởng của độc chất: các chất độc hại như muối vô cơ, chất hữu cơ độc hại
hoặc các kim loại nặng có thể gây ảnh hưởng đến xử lý kỵ khí. Người ta cũng đã xác định
được tính độc của kim loại nặng lên hệ vi sinh này như sau: Cr > Cu > Zn > Cd > Ni.
Giới hạn nồng độ của kim loại này cho phép lên vi sinh là: Cr: 690 mg/l, Cu: 500 mg/l,
Pb: 900 mg/l, Zn: 590 mg/l, Ni: 73 mg/l.

18


2.3.2.3. Qúa trình Anoxic (Thiếu khí)
Trong nước thải, có chứa các hợp chất nitơ và photpho, những hợp chất này cần
phải được loại bỏ ra khỏi nước thải. Tại bể Anoxic, trong điều kiện thiếu khí hệ vi sinh
vật thiếu khí phát triển xử lý N và P thông qua 2 quá trình Nitrat hóa và Photphorit.
• Quá trình Nitrat hóa xảy ra như sau:
o Hai chủng loại vi khuẩn chính tham gia vào quá trình này là Nitrosonas và
Nitrobacter. Trong môi trường thiếu oxy, các loại vi khuẩn này sẻ khử Nitrat
(NO3-) và Nitrit (NO2-) theo chuỗi chuyển hóa:
NO3- → NO2- → N2O → N2↑
o Khí nitơ phân tử N2 tạo thành sẽ thoát khỏi nước và ra ngoài. Như vậy là nitơ đã
được xử lý.
• Quá trình Photphorit hóa: chủng loại vi khuẩn tham gia vào quá trình này là
Acinetobacter. Các hợp chất hữu cơ chứa photpho sẽ được hệ vi khuẩn Acinetobacter
chuyển hóa thành các hợp chất mới không chứa photpho và các hợp chất có chứa
photpho nhưng dễ phân hủy đối với chủng loại vi khuẩn hiếu khí.
Để quá trình Nitrat hóa và Photphorit hóa diễn ra thuận lợi tại bể Anoxic lắp đặt
thêm hệ thống đệm sinh học được chế tạo từ nhựa PVC. Hệ vi sinh vật thiếu khí bám
dính vào bề mặt vật liệu đệm sinh học để sinh trưởng và phát triển.
2.3.3. Qúa trình oxic (Hiếu khí)
2.3.3.1. Cơ sở quá trình phân hủy hiếu khí:
Quá trình phân hủy hiếu khí là những quá trình phân hủy chất hữu cơ và vô cơ
trong điều kiện cần có oxy phân tử của không khí bởi các vi sinh vật hiếu khí. Quá trình
phân hủy hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng sau:
1. Oxi hóa các hợp chất hữu cơ:
enzym
Cx Hy Oz + O2
CO2 + H2O + Năng lượng

2. Tổng hợp xây dựng tế bào:
CxHyOz + O2 enzym
Tế bào VSV + CO2 + H2O + Năng lượng
3. Quá trình tự phân hủy:
enzym
C5H7O2N + 5O2
5CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng
Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, kỵ
khí hoặc kỵ khí tùy tiện.

19


Quá trình phân hủy chất hữu cơ xảy ra ở bên ngoài tế bào do các enzym thủy phân
như amilaza phân hủy tinh bột, proteaza phân hủy protein, lipaza thủy phân lipid... thành
các hợp chất có phân tử lượng thấp hơn có thể đi qua màng vào bên trong tế bào. Quá
trình này gọi là quá trình phân hủy ngoại bào. Các chất này tiếp tục được phân hủy hoặc
chuyển hóa thành các chất liệu tạo tế bào mới. Các quá trình này xảy ra trong tế bào gọi
là quá trình hô hấp nội bào.
2.3.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy sinh học hiếu khí:
Hàm lượng oxy trong nước thải: trong thực tế, lượng oxy hoà tan trong bể nên dao
động từ 2 - 4 mg/l tại mọi vị trí trong bể, trong đó giá trị 2 mg/l thường được sử dụng.
Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ: vi sinh vật chỉ hoạt động hiệu quả đối
với một tải trọng hữu cơ nhất định nào đó.
Ảnh hưởng của pH: giá trị pH ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo men trong tế bào
và quá trình hấp phụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Đối với đa số vi sinh vật khoảng giá
trị pH tối ưu là 6,5 – 8,5.
Chất dinh dưỡng trong nước thải: Nitơ và photpho là các nguyên tố dinh dưỡng
quan trọng nhất cho sự phát triển của sinh khối. Ta cần duy trì hàm lượng nitơ, photpho
trong nước thải một giá trị thích hợp nhằm duy trì trạng thái ổn định của hệ vi sinh vật.

Thông thường tỷ lệ COD:N:P thích hợp cho hệ vi sinh vật là 100:5:1. Ngoài nitơ,
photpho thì các nguyên tố dinh dưỡng khác cũng cần thiết có trong nước thải như: K, Mg,
Ca, S, Fe,… Các nguyên tố này nếu vượt quá nồng độ cho phép sẽ gây tác dụng tiêu cực
cho vi sinh vật.
Nhiệt độ nước thải: ảnh hưởng rất lớn đến chức năng hoạt động của vi sinh vật.
Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải thích hợp nằm trong khoảng 5 – 300C. Khi
nhiệt độ tăng cao sẽ gây ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý vì khi đó độ hoà tan trong nước sẽ
giảm. Còn khi nhiệt độ quá thấp sẽ làm mất hoạt tính của các vi sinh vật.
Nồng độ vi sinh vật trong nước thải: đây là thông số quan trọng cần kiểm soát để
đảm bảo hiệu suất xử lý. Nồng độ bùn hoạt tính thích hợp trong bể sinh học nên duy trì
trong khoảng từ 2 - 5 g/l.
Ngoài các yếu tố trên ta cũng cần lưu ý đến một số các yếu tố khác như việc khống
chế nồng độ muối vô cơ, đặc biệt là muối kim loại nặng trong nước thải, các chất độc, các
chất gây ức chế cho quá trình tăng trưởng của vi sinh vật.

20


2.3.4. Qúa trình loại bỏ chất hữu cơ
2.3.4.1. Quá trình loại bỏ nitơ
Cùng với photpho trong nước thải, nitơ là nguồn chính gây ra hiện tượng phú
dưỡng hóa bề mặt nước. Vì lý do đó, Nitơ cần phải được loại bỏ cùng với chất hữu cơ
trong quá trình xử lý nước thải. Trái ngược với các dạng photphat không hòa tan kết tủa
với nhiều kim loại nặng và có thể được tách bởi quá trình lắng hoặc quá trình tạo bông,
tất cả các thành phần nitơ, ngoại trừ Mangan ammonium phosphate (MgNH4PO4), dễ
dàng hòa tan trong nước và vì vậy không thể loại bỏ chúng về phương diện hóa học như
quá trình kết tủa. Để loại bỏ nitơ dạng amin và các hợp chất nitơ dị vòng khác, thì quá
trình chuyển các hợp chất này thành ammonia là giai đoạn đầu tiên trong quá trình xử lý
hiếu khí hoặc kỵ khí. Sau đó xảy ra quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa tiếp theo. Vì
vậy, tùy thuộc vào dạng của các hợp chất nitơ trong nước thải, việc loại bỏ nitơ đòi hỏi

phải trải qua ba quá trình lần lượt nhau: amon hóa, nitrat hóa và khử nitrat hóa (Gensicke
et al., 1998; Zayed and Winter, 1998).
Những phần chính của các hợp chất nitơ ở trong nước thải đô thị được khử thành
các dạng như ammonia, urê, các amin, axit amin và protein. Các hợp chất nitơ bị oxy hóa
như nitrat và nitrit thường không hiện diện trong tất cả hoặc trong một số dạng liên quan.
Tuy nhiên, nitrat và nitrit lại phần chính của tải trọng nitơ trong nước thải thực phẩm và
các ngành công nghiệp kim loại (Gensicke et al., 1998; Zayed and Winter, 1998).
Ammonia trong nước thải đô thị ban đầu được sinh ra chủ yếu từ nước thải con
người, động vật và được hình thành trong hệ thống cống rãnh do sự phân chia enzym của
urê như phản ứng sau:
NH2CONH2 + H2O à CO2 + 2NH3
Thời gian nước thải được lưu trong hệ thống cống rãnh thường không đủ lâu để
cho ammonia sinh ra từ các nguồn khác như quá trình phân giải protein và quá trình khử
amin của các axit amin.
2.3.4.2. Quá trình amon hóa
Các hợp chất nitơ hữu cơ có trong nước thải đô thị thường là các hợp chất dị vòng
(như axit nucleic) và các protein. Quá trình phân giải protein và sự phân hủy các axit
amin dẫn tới sự phóng thích ammonia bởi nhiều cơ chế khác nhau của quá trình amon
hóa (Rheinheimer et al., 1988), bao gồm quá trình thủy phân, oxy hóa, quá trình khử và
khử nhóm amin lần lượt theo như phương trình phản ứng:
21


R–NH2 + H2O à R–OH + NH3
R–CHNH2 –COOH + H2O à R–CO–COOH + 2 (H) + NH3
R–CHNH2 –COOH + 2(H) à R–CH2–COOH + NH3
R–CH2–CHNH2–COOH à R–CH=CH–COOH + NH3
Một lượng lớn ammonia sinh ra từ sự phân chia urê hoặc từ quá trình amon hóa
của các axit amin được đồng hóa trong quá trình xử lý hiếu khí cho sự phát triển của vi
khuẩn. Có thể ước lượng rằng các vi khuẩn chứa khoảng 50% protein và hàm lượng nitơ

trong protein là khoảng 16%. Vì vậy, để tổng hợp 1 g sinh khối vi khuẩn thì cần khoảng
0,08 g N-NH4+. Để loại bỏ ammonia mà không sử dụng cho quá trình sinh trưởng tế bào
trong xử lý nước thải thì đầu tiên cần phải xảy ra quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa tạo
thành N2 hoặc oxy hóa kỵ khí với nitrit.
2.3.4.3. Quá trình nitrat hóa
Mô tả quá trình:
• Quá trình nitrat hoá xảy ra trong bể hiếu khí, là quá trình oxy hoá các hợp chất
chứa nitơ, đầu tiên là ammonia thành nitrit sau đó oxy hóa nitrit thành nitrat. Quá
trình nitrat hóa ammonia diễn ra theo hai bước liên quan đến hai loại VSV tự
dưỡng là Nitrosomonas và Nitrobacter. Đầu tiên ammonia được chuyển thành
nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit chuyển thành nitrat nhờ vi khuẩn
Nitrobacter:
Nitrosomonas :

NH4+ + 1,5O2 à NO2- + 2H+ + H2O

Nitrobacter:

NO2- + 0,5O2 à NO3-

• Tổng hợp hai phản ứng trên được viết lại như sau:
NH4+ + 2O2 à NO3-+ 2H+ + H2O
• Cùng với năng lượng đạt được, ion ammonia được tiêu thụ vào trong tế bào. Phản
ứng sinh khối được viết như sau:
4CO2 + HC NO3- + NH4+ + H2O à C5H7O2N + 5O2
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa
• Nồng độ oxy hòa tan: nồng độ oxy là một trong những yếu tố quan trọng nhất
kiểm soát quá trình nitrat hóa. Nhu cầu oxy cho nitrat hoá khoảng 4,6 mg O2/mg
NH4+ bị oxy hoá. Khi DO giảm xuống dưới 2 mg/l trong thời gian kéo dài thì sự
nitrat hoá sẽ bị kiềm chế.

22


• Độ kiềm và pH: một số nghiên cứu quan sát thấy rằng tốc độ nitrat hóa cực đại khi
pH nằm trong khoảng 7,2 - 9,0.
• Nhiệt độ: tốc độ nitrat hoá tăng khi nhiệt độ tăng đến điểm giới hạn (300C – 350C)
và sau đó giảm. Quy luật này là nhiệt độ thay đổi từ 200C xuống còn 100C thì tốc
độ nitrat giảm khoảng 30%, cần gần gấp 3 lần nồng độ sinh khối MLSS để đạt
được nồng độ ammonia dòng ra tương đương.
• Thời gian lưu bùn (SRT): bởi vì tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrat hoá chậm hơn
vi sinh vật dị dưỡng, thời gian lưu bùn dài sẽ tăng hiệu quả của việc khử nitrat.
Thời gian lưu bùn của quá trình nitrat hoá là một hàm trực tiếp với nhiệt độ nước
thải.
• Tỉ số BOD5/TNK: một phần vi sinh vật nitrat hóa bị giảm khi tỷ số BOD5/TNK
tăng. Trong quá trình nitrat hóa kết hợp oxy hóa cacbon, tỷ số này lớn hơn 5, trong
quá trình nitrat hóa riêng biệt, tỷ số này nhỏ hơn 3.
2.3.4.4. Quá trình khử nitrat hóa
Mô tả quá trình:
• Khử nitrat hóa là quá trình khử nitrat thành khí nitơ bởi các vi khuẩn dị dưỡng
trong điều kiện thiếu khí và đòi hỏi một chất cho electron là chất hữu cơ hay vô
cơ.
• Hai con đường khử nitrat có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là:
- Đồng hóa: khử nitrat thành ammonia sử dụng cho tổng hợp tế bào. Nó xảy ra
khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức chế oxy.
- Dị hóa: khử nitrat bằng dị hóa liên quan đến sự khử nitrat thành NO2-, NO và
nitơ.
NO3- à NO2- à NO (g) à N2O (g) à N2 (g)
• Một số vi khuẩn khử nitrat như là Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,
Paracoccus, Spirllum… Hầu hết vi khuẩn khử nitrat là dị dưỡng, nghĩa là chúng
lấy cacbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ. Quá trình khử

nitrat đòi hỏi phải cung cấp nguồn cacbon. Điều này có thể thực hiện bằng ba cách
sau:
Cung cấp nguồn cacbon từ bên ngoài như methanol, acetate, nước thải đô thị:
Methanol: 5CH3OH + 6NO3- à 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH23


Acetate:

5CH3COOH + 8NO3-à 4N2 + 10CO2 + 6H2O + 8OH-

• Sử dụng BOD của chính nước thải làm nguồn cacbon có thể phân hủy thực hiện
bằng cách:
- Tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrat hóa đến vùng thiếu khí đầu sơ đồ.
- Dẫn một phần nước thải thô đầu vào hay đầu ra sau xử lý sơ bộ vào vùng chứa
nitrat.
• Sử dụng nguồn cacbon của chính tế bào do quá trình hô hấp nội sinh.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat hóa:
• Nồng độ oxy hòa tan (DO): quá trình khử nitrat hóa xảy ra trong điều kiện thiếu
khí nên sự hiện diện của DO ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của quá trình. Khử
nitrat hóa bị dừng khi nồng độ DO là 0,13 mg/l. Tốc độ khử nitrat ở nồng độ DO =
0,2 mg/l chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrat hóa ở nồng độ DO = 0 mg/l. DO tăng
lên 2 mg/l thì tốc độ khử nitrat hóa chỉ bằng 10% ở nồng độ DO = 0 mg/l.
• Độ kiềm và pH: độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrat hóa làm tăng nhẹ pH,
thay vì bị giảm trong phản ứng nitrat hóa. Trái ngược với vi khuẩn nitrat hóa,
người ta ít quan tâm đến ảnh hưởng pH lên tốc độ khử nitrat hóa. Vi khuẩn khử
nitrat hóa phát triển tốt ở pH từ 6,5 - 8,5. Tốc độ khử nitrat hóa không bị ảnh
hưởng khi pH từ 7 - 8.
• Nhiệt độ: nhiệt độ nước thải tăng hoạt tính của vi khuẩn, dẫn đến tốc độ khử nitrat
cao. Đối với cùng lượng BOD, sự thay đổi nhiệt độ từ 200C xuống 100C sẽ giảm
tốc độ khoảng 75%.

• Thời gian lưu bùn (SRT): lượng nitrat khử được trong quá trình ứng với lượng
chất nền chứa cacbon đã cho phụ thuộc vào SRT. SRT lâu hơn, chất cho electron
trong chất nền (chất cho electron) sẽ đi đến chất nhận electron (nitrat) nhiều hơn đi
vào sinh khối à lượng nitrat sẽ bị khử nhiều hơn.
2.3.5. Quá trình loại bỏ photpho
Mô tả quá trình:
• Quá trình loại bỏ photpho sinh học tăng cường (EBPR) được xem như là một quá
trình loại bỏ photpho từ nước thải có tính kinh tế và bền vững với môi trường nhất.
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi cho xử lý nước thải đô thị với hàm
lượng photpho khoảng từ 4 - 12 mg P-PO43- /l (Metcalf and Eddy, 2003).

24