xử lý n, p bằng SBR

Nước thải giàu nitơ, photpho là những loại nước thải khá phổ biến, từ công nghiệp
phân bón (sản xuất phân nitơ, photpho) phần lớn các loại nước thải kiểu này đều có
nguồn gốc hữu cơ, do đó chúng phổ biến ở những nước có nền nông nghiệp đang
phát triển-có nền chăn nuôi đang phát triển, có nhu cầu lớn về phát triển công
nghiệp chế biến các nông - hải sản như Việt Nam.
Nước thải được coi là giàu nitơ hay photpho về phương diện công nghệ xử lý (vi
sinh) được hiểu trong mối tương quan với chất hữu cơ, ví dụ trong xử lý hiếu khí
thì chỉ khi BOD: N: P vượt tỉ lệ 100: 5:1, trong xử lý yếm khí thì 900: 5: 1. Xét
theo khía cạnh đó thì nước thải chăn nuôi tại Việt Nam (khí hậu nóng, BOD dễ
phân hủy), nước thải sau xử lý yếm khí (nước rác, nước thải chuồng trại, ủ biogas,
nước sau bể phốt) thuộc loại giàu nitơ và photpho. Nước thải giàu nitơ và photpho
còn phụ thuộc vào đặc điểm sinh hoạt: các công sở, bệnh viện, trường học, trung
tâm thương mại, khách sạn có nguồn nước thải giàu N, P do nguồn thải chủ yếu từ
khu vực vệ sinh (chứa ít chất hữu cơ)
Vì vậy khi nói về tính chất giàu nitơ, photpho là nói đến tải lượng của nguồn thải,
nguồn đó chứa ít chất hữu cơ (so với tỷ lệ trên), là loại hình nước thải phổ biến có
lưu lượng thải lớn và khó xử lý.
1. Quá trình xử lý chất dinh dưỡng N, P trong bùn hoạt tính dạng mẽ ( SBR)
1.1 Khái niệm:


SBR (Sequencing Batch Reactor): là bể phản ứng làm việc theo mẻ dạng công
trình xử lý bùn hoạt tính nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra trong cùng một
bể. Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nước thải sinh học chứa hợp chất hữu
cơ, nito, phospho cao. Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước
thải – phản ứng – lắng – hút nước ra, trong đó quá trình phản ứng hay còn gọi là
quá trình tạo hạt (bùn hạt hiếu khí) quá trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí,
đặc điểm của chất nền trong nước thải đầu vào. Hệ thống SBR là một hệ thống xử
lý có hiệu quả cao do trong quá trình sử dụng ít năng lượng, dễ kiểm soát các sự cố
xảy ra, xử lý với lưu lượng thấp, ít tốn diện tích rất phù hợp với các trạm xử lý có
công suất nhỏ, ngoài ra công nghệ SBR có thể xử lý hàm lượng chất ô nhiễm có

nồng độ thấp hơn.

1.2 Các giai đoạn xử lý bằng SBR.
– Pha làm đầy (Filling): đưa nước thải đủ lượng đã qui định trước vào bể SBR và
nó bắt đầu các chất ô nhiễm sinh học bị thối rửa.
– Pha thổi khí (Reaction): các phản ứng sinh hoá hoạt động nhờ vào việc cung cấp
khí, sinh khối tổng hợp BOD, Ammonia và Nito hữu cơ.
– Pha lắng (Settling): Sau khi oxy hoá sinh học xảy ra, bùn được lắng và nước nổi
trên bề mặt tạo lớp màng phân các bùn nước đặt trưng.


– Pha rút nước (Discharge): Nước nổi trên bề mặt sau thời gian lắng (nước đầu ra
đã xử lý) được tháo ra khỏi bể SBR mà không có cặn nào theo sau.
Ngoài ra còn có pha chờ : Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ đợi phụ thuộc vào
thời gian vận hành. (pha này có thể bỏ qua).
1.3 Nguyên tắc hoạt động
– Bể SBR là một dạng cải tiến của bể bùn hoạt tính, khác với các công trình bể bùn
hoạt tính khác, SBRs kết hợp cả các giai đoạn và quá trình xử lý trong một bể trong
khi đó các công trình kia thì sử dụng nhiều bể.
– Chu kỳ vận hành của bể SBR gồm có 5 pha cơ bản: pha làm đầy- pha phản ứngpha lắng- pha xả nước- pha chờ( có thể bỏ qua pha này)


Hình : Các pha trong chu kỳ hoạt động của SBR
Pha làm đầy : Trong pha này, nước thải sẽ được nạp đầy bể, nước thải vào sẽ mang
theo một hàm lượng thức ăn cho các vi khuẩn trong bùn hoạt tính, tạo ra một môi
trường cho phản ứng sinh hóa xảy ra.
Đưa nước thải vào bể có thể vận hành ở 3 chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy
trộn, làm đầy sục khí.

– Làm đầy tĩnh: Nước thải đưa vào bể ở trạng thái tỉnh, nghĩa là không cung cấp
thiết bị khuấy trộn và sục khí. Trạng thái này thường áp dụng trong công trình
không cần quá trình nitrat hóa và quá trình phản nitrat và những công trình lưu
lượng nước thải thấp để tiết kiệm năng lượng, chi phí vận hành, bảo dưỡng..
– Làm đầy có khuấy trộn thì giúp điều hòa nồng độ, ổn định thành phần nước thải,
đồng thời xảy ra các quá trình oxy hóa cơ chất trong điều kiện hiếu khí và thiếu
khí, tăng hiệu quả xử lí nito trong nước thải
– Làm đầy có thổi khí nhằm duy trì vùng hiếu khí trong bể. Tạo điều kiện cho vi
sinh vật sinh trưởng và phát triển mạnh mẻ, trong bể xảy ra quá trình oxy hóa các
hợp chất hữu cơ, loại bỏ một phần COD/BOD trong nước thải. Tạo điều kiện cho
quá trình nitrat hóa xảy ra
Pha phản ứng : Sau khi cho nước vào bể, hệ thống bơm nước thải vào sẽ ngừng
hoạt động, thay vào đó hệ thống sục khí sẽ được khởi động để tiến hành quá trình
nitrit hóa, nitrat hóa và phân giải các hợp chất hữu cơ. Do trong pha này, không có
nước thải vào trong bể vì vậy thề tích nước thải và tải trọng hữu cơ không được bồ
sung, quá trình sục khí được duy trình, các vi sinh vật hiếu khí sẽ oxi hóa các hợp
chất hữu cơ để sinh trưởng và phát triển. Vì vậy các hợp chất hữu cơ sẽ được loại
bỏ.Trong pha này còn xảy ra quá trình nitrat hóa, ammoniac có trong nước thải sẽ
được chuyển hóa thành nitrit và nitrat.


Pha lắng : các thiết bị sục khí ngừng hoạt động, quá trình lắng diễn ra trong môi
tường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường nhỏ hơn 2 giờ. Trong pha này, các
bông bùn đã được hình thành sẽ được lắng xuống đáy bể, đồng thời xảy ra quá
trình phản nitrat, nitrat và nitrit được tạo ra ở pha trên sẽ bị khử thành nito.
Pha xả nước : nước đã lắng sẽ được hệ thống thu nước tháo ra đến công trình tiếp
theo, đồng thời trong quá trình này bùn cũng được tháo ra.
Pha chờ: thời gian chờ nạp mẻ tiếp theo( có thể bỏ qua pha này).

1.4 Quá trình loại bỏ nitơ trong mô hình hiếu khí gián đoạn (SBR)

Quá trình loại bỏ hợp chất nito trong nước thải theo phương pháp vi sinh vật thành
hợp chất bền là N2 trải 2 quá trình: đầu tiên là oxy hóa hợp chất nitơ có hóa trị -3
(NH3, NH4+) lên hóa trị+3, +5 (NO2-, NO3-), quá trình này còn được gọi là quá
trình nitrate hóa. Tiếp tục quá trình tiếp theo là khử từ hóa trị dương về hóa trị
không (N2), quá trình này còn được gọi là quá trình khử nitrate.
–

Trong mô hình bể phản ứng theo mẻ (SBR) thì quá trình nitrat hóa xảy ra

trong giai đoạn sục khí hay pha phản ứng:
Oxy hóa amoni với tác nhân oxy hóa là oxy phân tử còn có tên gọi là nitrat hóa,
được hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau:
Nitrosomonas: 2 NH4+ + 3 O2 -> 2 NO2- + 2 H2O + 1 H+
Nitrobacter:

2 NO2- + O2

->

2 NO3- +


Tổng hợp 2 phản ứng được viết lại như sau:
NH4+ + 2 O2 NO3- + 2 H+ + H2O
1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nitrate hóa:
Các yếu tố môi trường ảnh hưởng tới quá trình Nitrat hóa bao gồm các yếu tố
chính sau:
+

Nồng độ chất nền: Vi sinh vật oxy hóa hợp chất hữu cơ để tạo sinh khối tế

bào cần phải có chất dinh dưỡng là hợp chất nito để phát triển, khi nồng độ chất
nến cao thì sẽ tiêu tốn nhiều chất dinh dưỡng. Điều này làm tăng hiệu quả xử lý.
+

Nhiệt độ: Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của vi sinh tự

dưỡng: tăng khi nhiệt độ tăng.
+

Oxy: Để oxy hóa 1 mol NH4+ cần 1 mol oxy và tương ứng cần 4.57 g oxy/g

nitơ trong hợp chất Amoni (N – NH4+). Phản ứng tạo thành Nitrit tạo ra H+.
Lượng bicacbonat tiêu hao là 122 mg/2 mol H+, tương ứng với 8.6 g HCO3-/ g N
– NH4+ hay 7.14 g CaCO3 / g N– NH4+.
+

pH (độ kiềm): pH tối ưu cho quá trình nằm trong một khoảng khá rộng

xung quanh pH = 8 (7,6-8,6), pH < 6,2 hoặc pH > 10 ức chế hầu như hoàn toàn
quá trình hoạt động của vi sinh vật.
+

Thời gian lưu bùn (SRT)

+

Độc chất

–

Các yếu tố trên có liên hệ chặt chẽ tới tốc độ quá trình oxy hóa Amoni, làm

hạn chế tốc độ tổng thể quá trình. Ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý
Quá trình nitrate hóa kết thúc khi pha phản ứng ngừng sục khí, chuyển sang pha
lắng cũng là môi trường cho quá trình khử nitrate xảy ra.
Nitrat – sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được xem là bền
vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hóa về dạng khí
nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hóa học, chuyển hóa trị của nitơ từ +5
(NO3-) về hóa trị không (N2). Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên
chung là Denitrifier. Phần lớn loại vi sinh thuộc nhóm Denitrifier trên thuộc loại
tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hóa (nhận
điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng. Quá trình khử nitrat
thường được nhận dạng là khử nitrat yếm khí, tuy nhiên diễn biến quá trình sinh
hóa không phải là quá trình lên men yếm khí mà nó giống quá trình hô hấp hiếu
khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrat, nitrit khi môi trường
không có oxy cho chúng. Vì vậy quá trình khử nitrat xảy ra chỉ trong điều kiện
thiếu khí oxy (anoxic). Sự khác biệt giữa quá trình hiếu khí và thiếu khí là loại
enzym tham gia vào giai đoạn vận chuyển điện tử cho hợp chất nitơ ở bước cuối
cùng trong cả chuỗi phản ứng (reductase enzym).
Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hóa), chất khử có thể
là chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2, S, Fe2+. Phần lớn vi sinh vật nhóm Denitrifier


thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần
sử dụng cho phản ứng khử nitrate.
Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa
rị của nguyên tố nitơ từ +5 về +3, +2, +1.
–

Phương trình tổng quát

NO3-→ NO2-→ NO (khí) → N2O (khí) → N2 (khí)
–

Phản ứng khử Nitrat với chất hữu cơ

6 NO3- + 5 CH3OH → 3 N2 + 5CO2 + 7 H2O + 6 OH–

Khí CO2 kết hợp với OH- thành HCO3- tạo thành độ kiềm trả lại cho môi

trường sau khi cần độ kiềm trong quá trình Nitrat hóa.
–

–

Song song với quá trình khử Nitrat, quá trình tổng hợp tế bào cũng

diễn ra, khi đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình sẽ lớn hơn so với lượng
cần thiết cho phản ứng khử Nitrat.
–

Quá trình khử Nitrat, Nitrit và tổng hợp tế bào sử dụng chất cho điện tử là

metanol.
NO3- + CH3OH + H2CO3→ C5H7NO2 + 0 N2 + H2O + HCO3NO2- + CH3OH + H2CO3→ C5H7NO2 + N2 + H2O + HCO3-

Tham khảo thêm
Kỷ thuật xử lý bùn hoạt tính dạng mẽ ( SBR)
Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn (sequencing batch reactor) mới được phát triển, được
tiêu chuẩn hóa và áp dụng trong thực tế xử lý nước thải. Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai
đoạn là kỹ thuật phản ứng dạng tĩnh (ngắt đoạn): xong mỗi mẻ sẽ nhận được một
lần sản phẩm (nước đã được xử lý) kế tiếp giai đoạn là các giai đoạn nạp liệu, phản
ứng, lắng, gạn, chờ được thực hiện kế tiếp nhau trong cùng một thiết bị phản ứng.
Đặc trưng của phương pháp là tính chu kỳ của quá trình xử lý.
Các pha được thực hiện kế tiếp nhau và được thực hiện trong một thời gian nhất
định. Bước thải bùn có thể thực hiện sau pha lắng hoặc vào cuối giai đoạn phản
ứng hoặc trong khi lắng. Thải bùn có thẻ thực hiện theo chu kỳ tuần, ngày hoặc sau
mỗi mẻ. Pha chờ có thể bỏ qua nếu như hệ được thiết kế bể điều hòa hay bể tích trữ
nước dư chưa xử lý kịp. Pha nạp liệu và pha phản ứng có thể được phối hợp dựa
trên việc sử dụng năng lượng thông qua sục khí hay khuấy trộn cơ học. Đó là các
kỹ thuật: nạp liệu tĩnh, nạp liệu khuấy trộn, nạp liệu sục khí, phản ứng khuấy trộn,
phản ứng sục khí. Nạp liệu tĩnh không cần sử dụng năng lượng, lợi dụng áp lực
thủy tĩnh của dòng chảy để đưa nước vào bể phản ứng, tích lũy cơ chất trong bể.
Nạp liệu khuấy trộn bằng cơ học hoặc do đối lưu tạo ra môi trường thiếu khí hoặc
yếm khí trong bể (thực hiện khử nitrat hoặc xử lý photpho). Nạp liệu sục khí là sử
dụng dòng khí để khuấy trộn trong khi nạp liệu tạo ra môi trường hiếu khí. Trong
điều kiện đó có thể xảy ra cả các quá trình thiếu khí (do hàm lượng oxy chưa quá


lớn). Phản ứng có khuấy trộn để hạn chế các quá trình hiếu khí xảy ra, quá trình
thiếu khí và một phần quá trình yếm khí được thúc đẩy. Phản ứng có sục khí tạo
điều kiện cho các quá trình hiếu khí được thực hiện. Một mẻ được thực hiện kể từ
giai đoạn nạp liệu và kết thúc ở giai đoạn chờ hoặc sau khi xả. Thể tích nước thải
nạp vào bình phản ứng của một mẻ (chu kỳ) là Vf cùng với thể tích nước và sinh
khối dư lại của chu kỳ trước là Vo. Tổng thể tích sau khi nạp liệu V = Vo + Vf .
Khi phản ứng kết thúc, sinh khối lắng, thải bùn dư và thể tích nước trong Vf , hệ

lại có thể tiếp tục một chu kỳ mới. Các thông số cơ bản của kỹ thuật mẻ kế tiếp giai
đoạn gồm: ti: thời gian phản ứng với pha i.
- tc: thời gian cho một chu kỳ, tc = ti .
Tỉ lệ thời gian nạp liệu FTR = tf / tc (fil time ratio)
- Tỉ lệ thay nước VER = Vf /V.
- Thời gian lưu thủy lực  = n.V/Q, n là số bình phản ứng, V là thể tích làm việc
của từng bình, Q là lưu lượng nước vào hệ thống xử lý.
Thời gian lưu thủy lực của từng bình i = tf . VER-1 .
Ngoài các thông số mang tính đặc thù nêu trên, các thông số thông dụng khác như
thời gian lưu tế bào, tải lượng hữu cơ cũng được sử dụng như trong thiết kế và vận
hành đối với hệ liên tục hoặc lọc sinh học. Do pha nạp liệu chiếm một phần thời
gian của một chu kỳ nên cần thiết phải có nhiều hơn một bình phản ứng để đáp ứng
xử lý một dòng thải liên tục hoặc là phải có bể dự trữ nước thô. Số lượng bình phản
ứng của một hệ sẽ xác định thời gian nạp liệu và thời gian cho cả chu kỳ cũng như
tỉ lệ thời gian nạp liệu. Khi so sánh kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn với kỹ thuật dòng
liên tục cho thấy: Trong giai đoạn phản ứng, diễn biến của quá trình xử lý giống
với diễn biến trong dòng đẩy lý tưởng ở trạng thái ổn định. Sự khác nhau là ở chỗ
duy trì được tính ―lý tưởng‖ trong kỹ thuật mẻ gián đoạn, điều không thể thực
hiện trong dòng đẩy lý tưởng. Đặc trưng trên chỉ có được khi bước nạp liệu là tức
thời hoặc rất nhanh. Sự phân bố nồng độ cơ chất dọc theo chiều dài của bể phản
ứng dòng lý tưởng giống sự phân bố nồng độ theo thời gian trong bình phản ứng
mẻ kế tiếp giai đoạn .Nếu bước nạp liệu chậm (nạp liệu có sục khí hoặc khuấy
trộn) thì giai đoạn ban đầu (đang nạp) diễn biến giống như trong kỹ thuật phản ứng
liên tục khuấy trộn đều, sau đó (chấm dứt nạp liệu) diễn biến tương tự như trong


dòng đẩy lý tưởng .Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn cũng có thể vận hành theo
phương thức liên tục.
Hệ xử lý bao gồm 4 bể, từng bể có thể vận hành đáp ứng từng chức năng riêng
biệt trong từng chu kỳ. Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn dòng liên tục. Trong chu kỳ

đầu tiên, nước thải được nạp vào bể 1, chảy qua bể 2, 3 và 4. Các phản ứng hiếu
khí (sục khí) hoặc thiếu khí và chừng mực nào đó là yếm khí (khuấy cơ học) có thể
tiến hành tại các bể 1, 2, 3. Bể số 4 đóng vai trò bể lắng thứ cấp. Trong chu kỳ tiếp
theo, bể số 4 đóng vai trò nạp liệu, bể số 1, 2 đóng vai trò bể phản ứng, bể số 3
đóng vai trò của bể lắng. Chu trình tiếp theo được thực hiện tương tự theo cách: bể
lắng của chu kỳ trước đóng vai trò của bể nạp liệu ở chu kỳ sau, bể sát trước bể
lắng của chu kỳ đóng vai trò bể lắng của chu kỳ sau. Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn
dòng liên tục có tính linh hoạt cao trong vận hành, đặc biệt để xử lý nước thải giàu
hợp chất nitơ bằng cách duy trì thời gian khuấy hay sục khí theo một tỉ lệ nào đó
tại các bể phản ứng khác nhau.
Kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn còn có một ưu điểm nổi bật khác mà các phương
pháp bùn hoạt tính khác dễ mắc phải là hiện tượng bùn không lắng khi tập đoàn vi
sinh dạng sợi có mật độ cao. Thay đổi điều kiện dinh dưỡng của môi trường theo
nguyên tắc ―bỏ đói - ăn tiệc‖ (feast - famine) được áp dụng thông qua bể lựa chọn
(selector) trong các hệ xử lý có thể thực hiện dễ dàng trong kỹ thuật mẻ kế tiếp giai
đoạn .Thiết kế hệ xử lý mẻ kế tiếp giai đoạn có thể dựa trên kết quả nghiên cứu
pilot nếu có thể tiến hành được. Với các loại nước thải công nghiệp việc nghiên
cứu đánh giá trong phòng thí nghiệm hoặc qua pilot là luôn cần thiết, với loại nước
thải sinh hoạt thì có thể vận dụng các kinh nghiệm có sẵn, tuy nhiên cần phân tích
kỹ các yếu tố về phương diện đầu tư xây dựng và chi phí vận hành. Do các phương
thức vận hành khác nhau ở các pha nạp liệu và gạn đối với từng hệ thống riêng biệt
nên phương pháp thiết kế cũng rất đa dạng, khó trình bày theo một nguyên tắc
chung.

Nitơ tổng của nước thải bao gồm amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) và nitơhữu cơ (Hình 16.1). Nitơ-hữu cơ có mặt trong dòng chất thải như axit amin,
protein, polyme và chất hoạt động bề mặt và tồn tại ở dạng hòa tan và không hòa


tan. Trong các dạng hòa tan, các tế bào vi khuẩn hấp thụ nó; ở dạng không hòa tan,
các tế bào vi khuẩn và các chất rắn trơ hấp thụ nó (Hình 16.2).

Hình 16.1 Tổng nitơ dòng thải. Nitơ tổng bao gồm tổng nitơ Kjeldahl (TKN),
nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-). TKN bao gồm ammonium (NH4+)/ammonia (NH3)
và nitơ hữu cơ.


Hình 16.2 Sự hấp thụ và hòa tan các hợp chất chứa nitơ. Các hợp chất chứa nitơ ở
trạng thái keo như các protein được hấp phụ bởi bề mặt của các tế bào vi khuẩn (1)
mà có một lớp phủ polysaccharide (2). Sau khi hấp thụ, các tế bào sản xuất và giải
phóng ra exoenzyme để "tấn công" và hòa tan các protein để sản xuất axit amin
đơn giản và hòa tan (3). Các axit amin hòa tan sau đó được hấp thụ bởi các tế bào
vi khuẩn có và không có lớp phủ polysaccharide, nơi chúng bị phân hủy trong các
tế bào bằng các endoenzymes (4).

Nitơ được loại bỏ từ một dòng chất thải thông qua một số quá trình sinh học, hóa
học và vật lý. Một quy trình đơn lẻ hoặc kết hợp các quá trình có thể loại bỏ nitơ.
Các quá trình này có thể được phân loại như sau:


• Thải nitơ vào khí quyển như khí ammonia (NH3).
• Sự đồng hoá và hấp thụ nitơ của tế bào vi khuẩn và các chất rắn trơ.
• Amoni hóa, nitrat hóa và khử nitơ thành nitơ phân tử khí (N2).

THẢI BỎ NITƠ VÀO KHÍ QUYỂN (NH3)
Giảm nitơ tồn tại trong dung dịch hỗn hợp như amoni (NH4+) và amoniac (NH3).
Cả hai hình thức giảm nitơ có chứa hydrogen và các yếu tố chi phối thì phụ thuộc
pH (Hình 16.3). Với pH tăng, amoni được chuyển thành ammoniac và một số
ammoniac được "tước" hoặc thoát vào khí quyển thông qua hoạt động sục khí và
xáo trộn. Thải khí amoniac loại bỏ nitơ từ một dòng chất thải. Tuy nhiên, chỉ có
một số lượng tương đối nhỏ (<10%) amoni được chuyển thành khí amoniac và thải

vào không khí với biến đổi pH trong dung dịch hỗn hợp.

Hình 16.3 Sự phong phú tương đối của giảm nitơ (NH 3 và NH4+). Sự phong phú
tương đối hoặc số lượng giảm nitơ như ammonia (NH3) và amoni (NH4+) phụ thuộc
vào độ pH của SBR. Với sự gia tăng pH tăng amoniac về số lượng và ngược lại với
sự giảm pH ammonium giảm về số lượng. Trong ảnh là những thay đổi trong hình
thức của nitơ giảm tại các giá trị pH<9,4 (ammonium ưa chuộng) và ≥ 9.4
(ammonia ưa chuộng).


SỰ ĐỒNG HÓA VÀ HẤP THỤ NITƠ

Nitơ được đồng hóa hoặc đưa vào các tế bào vi khuẩn như một chất dinh dưỡng
cần thiết cho sự tổng hợp nguyên liệu cho việc sản xuất các tế bào mới (bùn).

Nitơ-amoni và nitrat được hấp thụ dung lượng lớn và được sử dụng bởi các tế bào
vi khuẩn để tổng hợp nguyên liệu và phát triển tế bào.

Khoảng 15% trọng lượng khô của bùn mới được sản xuất là nitơ.

Hợp chất nitơ-hữu cơ hòa tan được hấp phụ vào các tế bào vi khuẩn và các chất rắn
trơ trong hạt bông. Nếu có đủ thời gian xảy ra, hợp chất nitơ-hữu cơ có thể trải qua
quá trình amoni hóa và kết quả trong việc phát sinh amoni.

Hợp chất nitơ-hữu cơ hòa tan được hấp thụ bởi các tế bào vi khuẩn và trải qua quá
trình amoni hóa.

Mặc dù các hợp chất chứa nitơ được đồng hóa bởi các tế bào vi khuẩn và hấp thụ
bởi các tế bào vi khuẩn và các chất rắn trơ, nhưng chúng không được lấy ra từ các
dòng thải cho đến khi tế bào vi khuẩn nitơ-laden và chất rắn trơ được thải ra. Tế

bào vi khuẩn và chất rắn trơ bị thải bỏ, trải qua xử lý bổ sung có thể giải phóng
nitơ lại dòng thải qua dòng tuần hoàn, đặc biệt là thông qua phân hủy hiếu khí
(Hình 16.4) và kỵ khí (hình 16.5) và quá trình ép bùn. Thông thường, những dòng
tuần hoàn chứa polyme như polyacrylamit polyme có nitơ-hữu cơ trong thành phần
và phát sinh ammoni khi chúng phân hủy.


Hình 16.4 Giả phóng các hợp chất nitơ từ phân hủy hiếu khí. Chất rắn chuyển sang
một bể hiếu khí hoạt động trải qua quá trình amoni hóa (giải phóng nhóm amino)
và nitrat hóa. Kết quả quá trình nitrat hóa sinh ra nitrat (NO 3-) và giảm phân hủy
kiềm và pH. Vì vậy, bể cần được theo dõi định kỳ để đảm bảo độ pH và độ kiềm
thích hợp. Các gạn từ bể nên được theo dõi để xác định tuần hoàn các hợp chất
chứa nitơ. Các hợp chất này sẽ bao gồm nitrat, nitrit (NO 2-), amoni (NH4+) và TKN.
Các hợp chất này cũng cần được theo dõi trong lọc của hoạt động bơm tháo nước
(khử nước).

Hình 16.5 Giải phóng các hợp chất nitơ từ phân hủy yếm khí. Chất rắn chuyển
sang bể kỵ khí vận hành trải qua ammonification. Bởi vì oxy phân tử tự do là
không có sẵn trong bể kỵ khí, quá trình nitrat hóa không xảy ra. Do đó, giảm nitơ
(NH3/NH4+) tích tụ trong bể. Ở nồng độ ammonia cao (1.500 mg/L), nhiễm độc
amoniac có thể xảy ra. Các gạn từ bể nên được theo dõi để xác định tuần hoàn các
hợp chất nitơ (ammonium và TKN). Các hợp chất này cũng cần được theo dõi
trong lọc các hoạt động rút (khử) nước.

AMONI HÓA, NITRAT HÓA VÀ KHỬ NITƠ


Nhìn chung, amoni hóa, nitrat hóa và khử nitơ có nhiệm vụ trong việc loại bỏ một
số lượng đáng kể nitơ từ một dòng chất thải. Các quá trình sinh học cho phép phù
hợp với yêu cầu xả thải nitơ tổng. Trong ba quá trình này, nitrat hóa là khó khăn

nhất để đạt được. Khử là quá trình loại bỏ nitơ từ các nguồn chất thải như phân tử
nitơ (N2) và trả về với khí quyển. Amoni hóa và nitrat hóa chỉ thay đổi hình thức
của nitơ trong các dòng thải.

Amoni hóa

Amoni hóa là sự phân hủy của vi khuẩn với các hợp chất nitơ hữu cơ, dẫn đến việc
giải phóng ra nhóm amino (-NH2) từ các hợp chất và sinh ra ammonia/ammonium
[Eq. (16.1)]. Amoni hóa có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí.

Nitrat hóa

Nitrat hóa là một phản ứng sinh hóa hai bước bao gồm quá trình oxy hóa (bổ sung
oxy) để amoni (NH4+) thành nitrit (NO2-) [Eq.(16.2)] và sau đó là quá trình oxy hóa
nitrit thành nitrat (NO3-) [Eq.(16.3)]. Vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) như
Nitrosomonasare chịu trách nhiệm cho quá trình oxy hóa amoni và vi khuẩn oxy
hóa nitrite (NOB) như Nitrobacterare chịu trách nhiệm cho quá trình oxy hóa
nitrite.


Khử nitơ
Khử nitơ là giảm sinh học của nitrat (NO3-) thành nitơ phân tử khí [Eq. (16.4)].
Khử được thực hiện bởi kỵ khí tuỳ ý, vi khuẩn dinh dưỡng hoặc vi khuẩn khử nitơ
như Bacillusand Pseudomonas.

Khử xảy ra trong sự hiện diện của cBOD hòa tan và sự vắng mặt của oxy phân tử
tự do (O2). Khử loại bỏ nitơ từ các dòng thải như nitơ phân tử không hòa tan.
LOẠI BỎ PHOTPHO
Phốt pho tổng của nước thải bao gồm các dạng hòa tan và không hòa tan. Photpho được
lạo bỏ từ các dòng chất thải thông qua các quá trình sinh học và hóa học/vật lý.

Các quá trình sinh học bao gồm (1) đồng hóa và hấp thụ phốtpho và (2) loại bỏ phốt pho
sinh học nâng cao (EBPR) hay "sự hấp thu bậc cao " của phốtpho. Phốtpho cũng có thể
được loại bỏ từ một dòng chất thải thông qua phản ứng hóa học với một chất kết tủa
như chất đông tụ (muối kim loại) hoặc polymer và sau đó thải từ hệ thống xử lý.
Đồng hóa và hấp thụ phốtpho
Photpho bị đồng hóa hoặc đưa vào các tế bào vi khuẩn như một chất dinh dưỡng cần
thiết cho (1) lưu trữ năng lượng, (2) hoạt động tế bào, (3) tổng hợp tế bào và (4) sự tăng
trưởng của tế bào (bùn thải). Orthophosphate hòa tan hoặc phosphorus phản ứng được
sử dụng bởi các tế bào vi khuẩn như các chất dinh dưỡng phốtpho cho nhu cầu tế bào.
Trong dung dịch hỗn hợp, orthophosphate tồn tại dưới hai dạng là HPO 24- và HPO42- (Hình
16.6).


Hình 16.6 Dạng orthophosphate trong dung dịch hỗn hợp được xác định bởi độ pH. Có
hai dạng phốtpho phản ứng hay orthophosphate được tìm thấy trong hỗn hợp dung dịch
tại các giá trị pH hoạt động điển hình (6,8-7,2). Những dạng này là HPO 24- và HPO42-.
HPO24- thì chiếm ưu thế tại các giá trị pH<7, trong khi HPO 42- lại chiếm ưu thế tại các giá
trị pH>7. Các dạng hình thức của orthophosphate phụ thuộc vào pH. Khoảng 3% trọng
lượng khô của tế bào vi khuẩn hoặc bùn là phốt pho.
Hợp chất phospho hòa tan được hấp phụ vào các tế bào vi khuẩn và các chất rắn trơ
trong hạt bông. Nếu có đủ thời gian xảy ra, các hợp chất này có thể bị phân hủy hoặc
thủy phân kết quả dẫn đến việc giải phóng các orthophosphate. Vi khuẩn thủy phân các
hợp chất phốt pho hòa tan phức tạp. Thủy phân các hợp chất này dẫn đến việc sinh ra
orthophosphate.
Hợp chất phốtpho bị đồng hóa bởi các tế bào vi khuẩn và hấp thụ bởi các tế bào vi
khuẩn và các chất rắn trơ được loại bỏ khỏi dòng thải khi các tế bào vi khuẩn và các
chất rắn trơ được xả thải. Tuy nhiên, việc thải bỏ các tế bào vi khuẩn và các chất rắn trơ
có chứa các hợp chất phốt pho có thể trải qua xử lý bổ sung dẫn đến giải phóng
phốtpho quay lại hệ thống xử lý thông qua các dòng tuần hoàn.
Loại bỏ photpho sinh học bậc cao

Loại bỏ photpho sinh học bậc cao hoặc EBPR thì phụ thuộc vào sự hấp thu và đồng hóa
của orthophosphate bởi hiếu khí, vi khuẩn polyorganotrophic hoặc sinh vật tích lũy
phospho (PAO) như Acineobacter vượt quá yêu cầu phát triển sinh học của chúng. Các
"sự hấp thu bậc cao" quá mức phốt pho là kết quả của chu kì tuần hoàn vi khuẩn poly-P
giữa điều kiện kỵ khí/lên men (pha làm đầy tĩnh) và hiếu khí (phap ứng). Trong điều kiện
kỵ khí/lên men kết quả giải phóng photpho sinh học, trong khi điều kiện hiếu khí kết quả
hấp thu phốt pho sinh học. Khi vi khuẩn phốt pho (bùn) bị loại bỏ khỏi quá trình xử lý,
thì một số lượng tương đối lớn phốt pho cũng bị loại bỏ từ quá trình xử lý. Thông thường,
các tế bào vi khuẩn (bùn) có chứa khoảng 3% phốt pho trọng lượng khô trong quá trình
xử lý mà không loại bỏ phốtpho sinh học tăng cường, trong khi các tế bào vi khuẩn
(bùn) có chứa khoảng 7% phốt pho theo trọng lượng khô trong quá trình xử lý thì loại bỏ
phốtpho sinh học nâng cao.
Mục đích của việc loại bỏ phốtpho sinh học là kết hợp càng nhiều càng tốt photpho vào
các tế bào vi khuẩn (MLVSS hoặc bùn). Trong quá trình bùn hoạt tính thông thường


khoảng 1%-3% trọng lượng khô của bùn thải hoạt tính (WS) có chứa phốtpho, trong khi
đó 3%-7% trọng lượng khô của WS của tế bào vi khuẩn hoặc bùn có chứa phốtpho trong
các quá trình bùn hoạt tính mà sử dụng loại bỏ phốtpho sinh học. Loại bỏ phốtpho sinh
học còn được gọi là "loại bỏ phốtpho tăng cường sinh học" (EBPR) và hấp thu bậc cao
photpho. Loại bỏ phốtpho sinh học thường được thực hiện trong SBR với MLSS 2.0003.000 mg/L và một pha phản ứng khoảng 30-60 phút.
Loại bỏ phốtpho sinh học cần thiết sử dụng hai nhóm vi khuẩn và hai điều kiện hoạt
động. Vi khuẩn bao gồm các vi khuẩn lên men hoặc vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn poly-P
hoặc sinh vật tích lũy phốt pho (PAO). Các nhóm vi khuẩn này đi vào SBR thông qua
chất thải phân và dòng vào và dòng xâm nhập (I/I) như các sinh vật nước và đất. Các
điều kiện hoạt động bao gồm giai đoạn kỵ khí/lên men (pha làm đầy tĩnh) theo sau bởi
một giai đoạn hiếu khí hoặc oxic (pha phản ứng).
Trong giai đoạn kỵ khí/lên men hoặc pha làm đầy tĩnh theo sau chuỗi các biến cố có thể
xảy ra (hình 18.1):
• Vi khuẩn lên men phân hủy cBOD hòa tan và các axit béo (Bảng 18.1) được sử dụng

như một nguồn carbon và năng lượng của vi khuẩn poly-P. Acetate là axit béo quan
trọng nhằm thúc đẩy giải phóng photpho sinh học bằng vi khuẩn poly-P.

• Vi khuẩn poly-P hấp thụ nhưng không làm giảm các axit béo trong giai đoạn kỵ khí/lên
men. Các axit béo hấp thụ được chuyển đến và lưu trữ như các hạt tinh bột hòa tan
hoặc các hạt polyhydroxybutyrate β-(PHB) bên trong tế bào vi khuẩn.
• Vi khuẩn poly-P sử dụng năng lượng để chuyển đổi các axit béo thành tinh bột không
hòa tan. Kết quả tiêu thụ năng lượng làm phá vỡ liên kết phosphate năng lượng cao bên
trong các tế bào và giải phóng số lượng lớn orthophosphate. Việc giải phóng
orthophosphate được gọi là "giải phóng photpho sinh học."
• Khi kết quả giải phóng phospho sinh học bởi vi khuẩn poly-P, số lượng lớn nồng độ
orthophosphate tăng lên. Số lượng lớn orthophosphate kết hợp với dòng vào và
orthophosphate giải phóng bởi các vi khuẩn poly-P.


Hình 18.1 Biến cố sinh học trong pha làm đầy tĩnh (giai đoạn kỵ khí/lên men). Trong pha
làm đầy tĩnh, oxy phân tử tự do và nitrat không có mặt hoặc số lượng còn lại của chúng
đang cạn kiệt nhanh chóng bởi các vi khuẩn trong SBR. Trong trường hợp xáo trộn và
sục khí, dòng sạch chảy vào SBR. Dưới điều kiện yếm khí/lên men, gải phóng phốtpho
sinh học xảy ra. Vi khuẩn lên men (hình thành acid) phân hủy cBOD hòa tan dòng vào
và sản xuất các axit béo. Các axit nhanh chóng được hấp thụ bởi vi khuẩn Poly-P. Các vi
khuẩn Poly-P không thể phân hủy các axit béo trong sự vắng mặt của oxy phân tử tự do
và chuyển đổi các axit béo thành hạt tinh bột không hòa tan. Quá trình chuyển đổi này
đòi hỏi việc sử dụng năng lượng của các tế bào vi khuẩn hoặc phá vỡ liên kết photpho
năng lượng cao. Khi điều này xảy ra, các tế bào vi khuẩn giải phóng số lượng
orthophosphate (PR). Khi pha làm đầy tĩnh hoàn thành, số lượng lớn hai loại
orthophosphate, cụ thể là các orthophosphate dòng vào (P I) và orthophosphate giải
phóng (PR).
Ngoài ra để tăng nồng độ orthophosphate trong pha làm đầy tĩnh, nồng độ độ kiềm và
pH giảm do sản xuất của các axit béo. Ngoài ra, còn có ORP giảm xảy ra trong pha làm

đầy tĩnh.
Trong giai đoạn hiếu khí hoặc pha phản ứng của SBR, các trường hợp có thể xảy ra (hình
18.2):
• Hạt tinh bột trong vi khuẩn poly-P được sinh ra trong pha làm đầy tĩnh thì bị hòa tan
và phân hủy.
• Sự phân hủy của các hạt tinh bột hòa tan kết quả dẫn đến giải phóng năng lượng có
thể sử dụng đáng kể cho các tế bào vi khuẩn.
• Vi khuẩn Poly-P loại bỏ một số lượng lớn orthophosphate (kết hợp với dòng vào và giải
phóng trong pha làm đầy tĩnh) để lưu trữ năng lượng sinh ra như liên kết phosphate
năng lượng cao. Năng lượng lưu trữ phá vỡ các hạt polyphosphate không hòa tan hoặc
hạt volutin.
Phốt pho còn được loại bỏ số lượng lớn cao hơn mức cần thiết bởi các vi khuẩn hoạt
động tế bào bình thường, đó là sự hấp thu bậc cao phốtpho đã xảy ra.


Hình 18.2 Các trường hợp sinh học trong pha phản ứng. Trong pha phản ứng theo sau
pha làm đầy tĩnh, vi khuẩn poly-P hòa tan các hạt tinh bột được sinh ra trong pha làm
đầy tĩnh. Sự phân hủy của các hạt tinh bột dẫn đến sinh ra nhiều năng lượng từ các
electron tự do trong các liên kết hóa học của các cBOD. Năng lượng giải phóng được lưu
trữ bởi các vi khuẩn poly-P trong liên kết năng lượng cao để tạo thành hạt volutin. Do
nhu cầu lớn cho phốtpho để lưu trữ năng lượng sinh ra, số lượng lớn phốtpho từ dòng
vào (PI) và phốt pho sinh ra (PR) trong pha làm đầy tĩnh được loại bỏ số lượng lớn.
Việc loại bỏ các orthophosphate bởi vi khuẩn poly-P được gọi là "loại bỏ phốtpho sinh
học" và kết quả là (1) giảm đáng kể nồng độ orthophosphate trong bung và gạn và (2)
sự gia tăng đáng kể thành phần phốt pho trong vi khuẩn poly-P hoặc bùn (MLVSS).
Các ưu điểm chính của loại bỏ phốtpho sinh học so với hóa chất kết tủa phốtpho là (1)
giảm chi phí hóa chất và (2) giảm sản phẩm bùn. Hóa chất thì không cần thiết cho việc
loại bỏ phốtpho sinh học và bùn kết tủa phốt pho không được sinh ra. Tùy thuộc vào các
chất hóa học được sử dụng để kết tủa orthophosphate, bùn kết tủa photpho có thể là
nhôm phosphate (AlPO4), calcium phosphate (Ca3(PO4)2), sắt phosphate (FePO4) hoặc sắt

phosphate (Fe3(PO4)2). Ngoài ra, kết tủa hóa học của orthophosphate có thể phá hủy
kiềm và làm thấp pH.