Trong kỷ nguyên công nghệ môi trường hiện đại, công nghệ sinh học xử lý nước thải luôn đóng vai trò là “trọng tâm” không thể thay thế tại hầu hết các trạm xử lý nước thải đô thị lẫn công nghiệp. Trong đó, xử lý nước thải bằng vi sinh vật là giải pháp kinh điển, được ứng dụng rộng rãi nhất nhờ ưu điểm vượt trội về mặt chi phí đầu tư, hiệu quả xử lý triệt để các chất hữu cơ và tính thân thiện tuyệt đối với môi trường tự nhiên.
Vậy cơ chế hoạt động của các chủng vi sinh này là gì? Quy trình vận hành hệ thống kỵ khí, hiếu khí diễn ra ra sao và làm thế nào để nuôi cấy bùn vi sinh nhanh lên men nhất? Hãy cùng NTS Engineering tìm hiểu toàn bộ cẩm nang kỹ thuật vận hành trong bài viết chi tiết dưới đây.
Cơ chế xử lý nước thải bằng vi sinh vật
Phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật (hay phương pháp sinh học) về bản chất là quá trình sử dụng các quần thể vi sinh vật có sẵn hoặc được bổ sung vào nước thải để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Nước thải chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ như tinh bột, protein, lipid, dầu mỡ… đóng vai trò là nguồn dinh dưỡng (thức ăn) cho vi sinh vật. Trong quá trình sinh trưởng, vi sinh vật hấp thụ các chất này cùng các khoáng chất vi lượng khác (như Nitơ, Phốt pho) để tổng hợp tế bào mới. Kết quả của quá trình này là các chất hữu cơ độc hại, mạch phức tạp sẽ bị bẻ gãy, chuyển hóa thành các hợp chất vô cơ đơn giản không độc hại hoặc các chất khí (như CO2, CH4, N2) thoát ra ngoài, giúp làm sạch nguồn nước.
Các thành phần vi sinh vật tham gia xử lý nước thải
Trong các công trình xử lý sinh học nhân tạo, vi sinh vật chủ yếu tồn tại và hoạt động dưới 3 dạng cấu trúc điển hình:
- Bùn hoạt tính (Activated Sludge): Là các bông bùn xốp màu vàng nâu, có kích thước từ 3 đến 150 micromet, chứa từ 70% – 90% chất hữu cơ (chủ yếu là các quần thể vi sinh vật sống) và 10% – 30% chất vô cơ. Bông bùn hoạt tính có khả năng hấp phụ và phân hủy cực mạnh chất hữu cơ lơ lửng.
- Màng sinh học (Biofilm): Là lớp màng dính bám trên bề mặt các giá thể lọc (kích thước dày khoảng 1 đến 3 mm), bao gồm vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh bám dính cùng nhau để lọc nước.
- Vi khuẩn (Bacteria): Chiếm tới hơn 90% sinh khối trong hệ thống xử lý, bao gồm các nhóm vi khuẩn dị dưỡng (phân hủy chất hữu cơ để lấy năng lượng) và tự dưỡng (oxy hóa chất vô cơ). Chúng được phân loại thành vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và tùy nghi tùy theo nhu cầu oxy.
Quy trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật chi tiết
Dựa vào nhu cầu sử dụng oxy của vi sinh vật trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, quy trình xử lý nước thải được chia thành 2 phân nhánh công nghệ cốt lõi:
Quy trình xử lý bằng vi sinh vật kỵ khí (Anaerobic)
Phương pháp này ứng dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí hoạt động trong môi trường tuyệt đối không có oxy để phân hủy chất hữu cơ nồng độ cao (thường dùng trong bể UASB, bể lọc kỵ khí). Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra nghiêm ngặt qua 4 giai đoạn sinh hóa khép kín:
- Giai đoạn 1 (Thủy phân): Cắt mạch các hợp chất hữu cơ cao phân tử phức tạp (như protein, cellulose, lipid) thành các chất đơn giản hơn như đường đơn, axit amin.
- Giai đoạn 2 (Axit hóa): Vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất đã thủy phân thành các axit béo dễ bay hơi (như axit acetic, axit propionic) cùng khí CO2 và H2.
- Giai đoạn 3 (Acetate hóa): Chuyển hóa các axit béo thành acetate, CO2 và H2.
- Giai đoạn 4 (Methane hóa): Nhóm vi khuẩn methanogen sử dụng acetate và hydro để tạo thành khí metan (CH4) và carbon dioxide (CO2).
Quy trình xử lý bằng vi sinh vật hiếu khí (Aerobic)
Phương pháp này bắt buộc phải cung cấp khí oxy liên tục (bằng máy thổi khí và đĩa phân phối khí) để duy trì nồng độ oxy hòa tan (chỉ số DO) thích hợp cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động (thường dùng trong bể Aerotank, bể SBR). Quá trình diễn ra qua 3 giai đoạn chính:
- Giai đoạn 1 (Oxy hóa chất hữu cơ):
- Phương trình: CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + Năng lượng (DH)
- Giai đoạn 2 (Tổng hợp tế bào mới):
- Phương trình: CxHyOz + NH3 + O2 -> Tế bào vi sinh mới (C5H7NO2) + CO2 + H2O
- Giai đoạn 3 (Phân hủy nội bào – xảy ra khi thiếu thức ăn):
- Phương trình: C5H7NO2 + 5O2 -> 5CO2 + 5H2O + NH3 + Năng lượng (DH)
Hướng dẫn kỹ thuật nuôi cấy vi sinh khởi động hệ thống
Để hệ thống xử lý sinh học đi vào hoạt động ổn định, kỹ sư vận hành cần tiến hành quy trình nuôi cấy bùn vi sinh (thường sử dụng tỷ lệ bùn gốc ban đầu khoảng 10% – 15% thể tích bể) theo 2 giai đoạn tiêu chuẩn sau:
Giai đoạn 1: Nuôi cấy mới hệ thống
- Bước 1 (Hòa tan bùn): Bơm nước sạch vào bể khoảng 1/3 thể tích, sau đó cho bùn vi sinh gốc vào. Khởi động hệ thống sục khí liên tục từ 2 đến 3 ngày để bùn tan đều, không bị vón cục và vi sinh vật được kích hoạt lại trạng thái hoạt động nhờ oxy dồi dào.
- Bước 2 (Thích nghi): Bắt đầu châm từ từ nước thải đầu vào (khoảng 1/3 thể tích bể) để vi sinh vật làm quen với môi trường dinh dưỡng thực tế, tránh hiện tượng sốc tải làm chết vi sinh.
- Bước 3 (Vận hành chính thức): Sau 3 đến 5 ngày theo dõi, nếu thấy bông bùn phát triển tốt và lắng nhanh, tiến hành nâng dần tải lượng nước thải lên 100% công suất thiết kế để hệ thống tự vận hành ổn định.
Giai đoạn 2: Bổ sung định kỳ và tối ưu hóa
Sau khi trạm xử lý đi vào hoạt động ổn định, theo thời gian lượng vi sinh có thể hao hụt hoặc suy giảm hoạt tính do biến động chất lượng nước thải. Lúc này, người vận hành cần châm bổ sung các chế phẩm men vi sinh chuyên dụng (men vi sinh hiếu khí, kỵ khí) tùy thuộc vào mật độ sinh khối hiện tại để duy trì hiệu suất lọc tối ưu.
Những chỉ số lưu ý quan trọng khi vận hành hệ vi sinh
Sự sinh trưởng của vi sinh vật trong bể xử lý cực kỳ nhạy cảm với các biến động vật lý và hóa học của dòng nước thải. Khi vận hành, bạn cần kiểm soát chặt chẽ các chỉ số sau:
- Chỉ số DO (Oxy hòa tan): Đối với bể hiếu khí, luôn duy trì DO ở mức từ 2.0 đến 4.0 mg/l. Thiếu oxy vi sinh sẽ bị cô đặc và chết, thừa oxy gây lãng phí điện năng và làm vỡ bông bùn.
- Độ pH: Dải pH lý tưởng cho vi sinh hoạt động ổn định nhất là từ 6.5 đến 8.5. pH quá thấp (axit) hoặc quá cao (kiềm) đều làm ức chế men của vi sinh vật.
- Nhiệt độ: Hoạt động tốt nhất trong khoảng 20 đến 37 độ C.
- Tỷ lệ dinh dưỡng: Luôn duy trì tỷ lệ dinh dưỡng cân bằng giữa Cacbon, Nitơ và Phốt pho theo công thức chuẩn: BOD:N:P = 100:5:1 đối với bể hiếu khí và BOD:N:P = 250:5:1 đối với bể kỵ khí.
- Các độc chất gây ức chế: Kiểm soát nghiêm ngặt các nguồn thải chứa hàm lượng cao Chlorine tự do, hóa chất tẩy rửa mạnh, kim loại nặng (đồng, crom, kẽm, niken) hoặc các hợp chất hữu cơ độc như phenol, xyanua vì chúng sẽ tiêu diệt hoàn toàn lượng bùn vi sinh trong bể.
Lời kết
Ứng dụng xử lý nước thải bằng vi sinh vật tuy tối ưu về mặt chi phí nhưng lại đòi hỏi quy trình thiết kế công nghệ cực kỳ khắt khe và tay nghề vận hành chính xác của kỹ sư. Việc tính toán sai công suất sục khí, không kiểm soát được lượng bùn tuần hoàn hay châm hóa chất dinh dưỡng sai tỷ lệ sẽ ngay lập tức dẫn đến hiện tượng bùn bị nổi, nước thải bị đục hoặc trạm xử lý bốc mùi hôi thối nồng nặc. Hệ thống xử lý nước thải bằng vi sinh của doanh nghiệp bạn đang gặp sự cố, cần nuôi cấy lại bùn hay muốn cải tạo nâng công suất? Hãy liên hệ ngay với đội ngũ kỹ sư chuyên môn của NTS Engineering qua hotline 0888 167 247 hoặc website https://ntse.vn/ để được tư vấn và hỗ trợ chuyên sâu.
