Hoạt động của quy trình bùn hoạt tính đòi hỏi phải kiểm soát thích hợp nhiều thông số, bao gồm cả việc kiểm soát MLSS, một trong những chỉ số được sử dụng thường xuyên nhất trong hoạt động hàng ngày của hệ thống nước thải.
1. Định nghĩa MLSS
Nồng độ bùn hoạt tính là hàm lượng chất rắn lơ lửng có trong dung dịch hỗn hợp ở đầu ra của bể sục khí, ký hiệu là MLSS, đơn vị tính là mg/L. Nó được sử dụng để đo lượng bùn hoạt tính trong bể sục khí. Tổng số MLSS bao gồm bốn khía cạnh sau:
Vi sinh vật hoạt động;
chất hữu cơ không thể phân hủy sinh học được hấp phụ trên bùn hoạt tính;
Dư lượng từ quá trình tự oxy hóa-của vi sinh vật;
Chất vô cơ.
Trong quá trình vận hành, điều đặc biệt quan trọng cần lưu ý là MLSS chỉ đề cập đến nồng độ của chất lỏng hỗn hợp trong bể sục khí, không bao gồm nồng độ của chất lỏng hỗn hợp trong bể lắng thứ cấp. Hơn nữa, khi theo dõi nồng độ dung dịch hỗn hợp trong bể sục khí, điều quan trọng là phải sử dụng nồng độ của hỗn hợp dịch lỏng ở đầu ra của bể sục khí làm tiêu chuẩn để đo nồng độ bùn hoạt tính trong toàn bộ bể sục khí.
2. Mối quan hệ giữa nồng độ bùn và các chỉ tiêu kiểm soát khác
1. Mối quan hệ giữa nồng độ bùn hoạt tính và tuổi bùn
Tuổi bùn là một phương tiện hoạt động để đạt được mục tiêu tuổi bùn bằng cách loại bỏ bùn hoạt tính. Có thể đưa ra phạm vi hợp lý để kiểm soát nồng độ bùn hoạt tính thông qua tuổi bùn hợp lý và tỷ lệ thức ăn-trên-vi khuẩn. Trên thực tế, nếu nồng độ bùn hoạt tính tăng quá mức, tuổi bùn sẽ đặc biệt dài, vượt quá giá trị tuổi bùn được kiểm soát thông thường, ngay cả khi nồng độ chất hữu cơ ảnh hưởng không cao. Điều này cho thấy rõ ràng rằng nồng độ bùn hoạt tính đang được kiểm soát quá cao, chính xác hơn nhiều so với việc đánh giá xem nồng độ bùn hoạt tính có cần được kiểm soát hay không dựa trên giá trị tuyệt đối của nó.
2. Mối quan hệ giữa nồng độ bùn hoạt tính và nhiệt độ nước
Sự phát triển, sinh sản và trao đổi chất của bùn hoạt tính trong bể xử lý sinh học có liên quan mật thiết đến nhiệt độ nước. Cứ nhiệt độ nước giảm 10 độ thì hoạt tính của bùn hoạt tính sẽ giảm đi một nửa; khi nhiệt độ nước dưới 10 độ, hiệu quả xử lý rõ ràng là kém. Để giải quyết vấn đề này, nồng độ bùn hoạt tính có thể được điều chỉnh để đối phó với sự thay đổi nhiệt độ nước:
Khi nhiệt độ nước thấp, nồng độ bùn hoạt tính có thể tăng lên để bù đắp tác động tiêu cực của việc giảm hoạt tính bùn hoạt tính, nhờ đó đạt được hiệu quả loại bỏ tăng lên ở nhiệt độ nước thấp.
Khi nhiệt độ nước cao, bùn hoạt tính hoạt động mạnh mẽ. Nồng độ bùn hoạt tính quá cao sẽ gây bất lợi cho quá trình lắng bùn hoạt tính. Trong trường hợp này, việc giảm nồng độ bùn hoạt tính có thể ngăn ngừa sự hình thành các bông cặn không ổn định và chất đục phía trên.
3. Mối quan hệ giữa nồng độ bùn hoạt tính và tỷ lệ lắng bùn hoạt tính
Nồng độ bùn hoạt tính ảnh hưởng đến tỷ lệ lắng cuối cùng. Nồng độ bùn hoạt tính cao hơn dẫn đến tỷ lệ lắng cuối cùng cao hơn và ngược lại. Điều này là do nồng độ bùn hoạt tính cao hơn dẫn đến lượng sinh học lớn hơn, dẫn đến tỷ lệ lắng cao hơn sau khi nén và lắng. Điểm khác biệt chính so với các yếu tố khác có thể làm tăng tỷ lệ lắng là quan sát xem bùn hoạt tính nén có đặc hay không và màu của nó có màu nâu sẫm hay không. Trong trường hợp nồng độ bùn không{4} hoạt tính tăng dẫn đến tỷ lệ lắng cao hơn, nguyên nhân thường là do độ nén kém và màu xỉn hơn.
Tất nhiên, nồng độ bùn hoạt tính quá thấp cũng ảnh hưởng đáng kể đến tỷ lệ lắng. Tuy nhiên, điều này thường không phải do người vận hành cố tình hạ thấp nồng độ bùn hoạt tính mà là do nồng độ chất hữu cơ đầu vào quá thấp. Trong những trường hợp như vậy, người vận hành cảm thấy nồng độ bùn hoạt tính quá thấp nên cố gắng tăng nó lên, dẫn đến bùn hoạt tính bị lão hóa. Quan sát tỷ lệ lắng cuối cùng sẽ cho thấy các dấu hiệu điển hình của quá trình lão hóa bùn hoạt tính: độ nén cao, màu tối và chất nổi phía trên trong suốt có chứa các hạt keo mịn.
Nếu tỷ lệ lắng thấp xảy ra do lượng bùn thải ra bất thường, quan sát cũng sẽ cho thấy bùn hoạt tính đã lắng có màu nhạt, khả năng nén kém và thưa thớt.
3. Tác động của nồng độ bùn đến quá trình nitrat hóa và khử nitrat
1. Ảnh hưởng của nồng độ bùn đến quá trình nitrat hóa
Nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa, bao gồm pH, nhiệt độ, SRT, DO, BOD/TKN, nồng độ bùn và các chất độc hại. Trong các nhà máy xử lý nước thải thực tế, chỉ có thể kiểm soát các thông số như SRT, DO, BOD/TKN và nồng độ bùn trong quá trình vận hành quy trình.
Một. Trong quá trình nitrat hóa hiếu khí, nồng độ bùn cao hơn dẫn đến nồng độ vi khuẩn nitrat hóa tương đối cao hơn, do đó dẫn đến tốc độ nitrat hóa hiếu khí cao hơn trong điều kiện nồng độ bùn cao.
b. Cần có một độ tuổi bùn nhất định để đảm bảo sự hiện diện của vi khuẩn nitrat hóa trong bùn sinh học. Tạo điều kiện sống thuận lợi cho vi khuẩn nitrat hóa càng làm tăng tỷ lệ của chúng trong cộng đồng vi sinh vật, từ đó làm tăng nồng độ của chúng. Ở nồng độ bùn cao, BOD được tiêu thụ nhiều hơn ở giai đoạn kỵ khí, dẫn đến tỷ lệ BOD/TKN tương đối thấp hơn ở giai đoạn hiếu khí.
Một số nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ nghịch đảo giữa tỷ lệ vi khuẩn nitrat hóa trong bùn hoạt tính và BOD/TKN. Vì vi khuẩn nitrat hóa là tự dưỡng nên nồng độ chất hữu cơ không phải là yếu tố hạn chế sự phát triển của chúng. Tuy nhiên, nếu nồng độ chất hữu cơ quá cao, điều này sẽ khiến vi khuẩn dị dưỡng có tốc độ-tăng trưởng-cao sinh sôi nảy nở nhanh chóng, cạnh tranh oxy hòa tan. Điều này làm chậm sự phát triển của vi khuẩn tự dưỡng và ngăn cản vi khuẩn nitrat hóa hiếu khí giành được lợi thế, dẫn đến tốc độ nitrat hóa giảm.
c. Oxy hòa tan (DO) nói chung là một chỉ số quan trọng trong giai đoạn nitrat hóa của nhà máy xử lý nước thải, thường ở mức trên 2 mg/L. Trong hầu hết các quá trình xử lý mương oxy hóa, giá trị DO trung bình trong mương khó đạt được 2 mg/L, thường duy trì ở mức 1 mg/L hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, hiệu quả nitrat hóa vẫn tốt. Lý do cho điều này là nồng độ bùn tương đối cao đặc trưng của các mương oxy hóa, mặc dù dẫn đến giá trị DO thấp hơn, nhưng lại tăng cường các yếu tố khác có lợi cho quá trình nitrat hóa.
Nồng độ bùn tăng làm tăng thể tích hiệu quả của bể xử lý sinh học đồng thời giảm tải. Ở góc độ khác, việc tăng nồng độ bùn cũng làm tăng khả năng hiếu khí của vi sinh vật. Trong cùng điều kiện sục khí, chỉ số trên máy đo oxy hòa tan cũng phải thấp hơn. Những điểm trên giải thích rằng việc tăng nồng độ bùn có thể làm giảm giá trị oxy hòa tan (DO) trong bể xử lý sinh học một cách thích hợp trong khi vẫn duy trì mức độ nitrat hóa tốt.
d. Để đảm bảo sự phát triển và sinh sản bình thường của vi khuẩn nitrat hóa trong bùn hoạt tính, tuổi bùn thường được kiểm soát ở mức hơn 8 ngày. Tuy nhiên, để đảm bảo lợi thế cạnh tranh tương đối cân bằng giữa vi khuẩn nitrat hóa với các vi khuẩn dị dưỡng khác, cần tăng tuổi bùn mà không gây ra sự lão hóa nghiêm trọng của bùn, từ đó làm tăng nồng độ bùn trong hệ thống sinh học.
2. Ảnh hưởng của nồng độ bùn đến quá trình khử nitrat
Khử nitrat sinh học là quá trình vi khuẩn khử nitrat sử dụng oxy ion trong nitrat để phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy. Nitrat bị khử thành N2, hoàn thành quá trình khử nitrat. Vi khuẩn khử nitrat là vi khuẩn dị dưỡng tùy tiện có nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải. Trong điều kiện hiếu khí, chúng sử dụng oxy để hô hấp và phân hủy oxy hóa các chất hữu cơ.
Trong điều kiện không có oxy phân tử, khi có mặt đồng thời các ion nitrat và nitrit, chúng có thể sử dụng oxy trong các ion này để hô hấp, oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ. Vi khuẩn khử nitrat có thể sử dụng nhiều loại chất hữu cơ làm chất cho điện tử trong quá trình khử nitrat, bao gồm carbohydrate, axit hữu cơ, rượu và thậm chí cả các hợp chất như ankan, benzoat và các dẫn xuất benzen khác, thường là thành phần chính của nước thải. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrat, bao gồm độ pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO), tỷ lệ cacbon-to-nitơ (tỷ lệ C/N) và nồng độ bùn. Trong các nhà máy xử lý nước thải thực tế, chỉ có thể kiểm soát các thông số như DO và nồng độ bùn trong quá trình vận hành quy trình. Mặc dù tỷ lệ C/N là yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến phản ứng khử nitrat, nhưng nó phụ thuộc nhiều vào chất lượng nước đầu vào và thường khó kiểm soát trong thực tế.
Một. Quá trình khử nitrat đòi hỏi không có oxy phân tử để cho phép vi khuẩn khử nitrat sử dụng oxy ion trong nitrat và nitrit để phân hủy chất hữu cơ. Như đã đề cập trước đó, các hệ thống sinh học có nồng độ bùn cao có thể giảm lượng oxy hòa tan (DO) một cách thích hợp trong quá trình nitrat hóa trong khi vẫn duy trì hiệu quả quá trình nitrat hóa. Do đó, việc giảm DO khi kết thúc quá trình nitrat hóa sẽ làm giảm hiệu quả hàm lượng DO mang trong chất lỏng hoàn trả nitrat, giảm tác động của oxy phân tử đến quá trình khử nitrat trong vùng anoxic và cải thiện khả năng sử dụng nguồn carbon của vi khuẩn khử nitrat.
Đồng thời, nồng độ bùn cao cũng dẫn đến khả năng trao đổi chất hiếu khí nội sinh tương đối mạnh, tiêu thụ thêm oxy hòa tan ở vùng hồi lưu và vùng thiếu khí. Hơn nữa, nồng độ bùn rất cao làm thay đổi độ nhớt của dung dịch hỗn hợp, tăng khả năng cản khuếch tán và do đó làm giảm DO mang theo trong chất lỏng tuần hoàn. Trong một số quy trình xử lý sử dụng kênh hở làm kênh hồi lưu, điều này có thể làm giảm lượng oxy cần thiết cho dòng hồi lưu. Tóm lại, nồng độ bùn cao đóng vai trò quan trọng trong việc giảm DO trong giai đoạn khử nitrat trong vận hành quy trình thực tế.
b. Vì vi khuẩn khử nitrat là vi khuẩn dị dưỡng tùy tiện và có nhiều trong các hệ thống xử lý nước thải, nên việc tăng nồng độ bùn trong hệ thống có thể làm tăng nồng độ vi khuẩn khử nitrat một cách hiệu quả. Tốc độ khử nitrat phần lớn không phụ thuộc vào nồng độ nitrat và nitrit, nhưng biểu hiện phản ứng- bậc một với nồng độ vi khuẩn khử nitrat.
Do đó, trong quá trình vận hành thực tế, nồng độ bùn cao có thể rút ngắn thời gian khử nitrat và giảm thể tích hiệu quả của vùng anoxic. Với thể tích hữu hiệu cố định trong vùng anoxic, nồng độ bùn cao cho phép tận dụng tốt hơn các chất hữu cơ tương đối khó phân hủy trong nền hữu cơ làm nguồn cacbon. Điều này đặc biệt quan trọng đối với quá trình loại bỏ nitơ và phốt pho, đặc biệt khi nguồn carbon không đủ.
c. Nồng độ bùn cao dẫn đến đường kính khối vi sinh vật tương đối lớn hơn. Trong quá trình nitrat hóa, mức oxy hòa tan thấp dẫn đến gradient áp suất oxy nhỏ hơn, khiến môi trường thiếu oxy dễ hình thành hơn trong các bông bùn, do đó thúc đẩy quá trình khử nitrat. Do đó, nồng độ bùn cao có thể thúc đẩy quá trình khử nitrat đồng thời.
4. Ảnh hưởng của nồng độ bùn đến việc loại bỏ phốt pho sinh học
Chìa khóa để loại bỏ phốt pho sinh học là tăng tỷ lệ vi khuẩn tích lũy polyphosphate-trong hệ thống bùn hoạt tính, đồng thời thúc đẩy sự phát triển và sinh sản nhanh chóng của chúng trong quá trình vận hành hệ thống, duy trì hàm lượng phốt pho cao trong vi khuẩn tích lũy polyphosphate{1}}khi xả thải.
Để tăng tỷ lệ vi khuẩn tích lũy polyphosphate (PAC) trong bùn hoạt tính của hệ thống, cần tạo ra môi trường và điều kiện thủy lực thuận lợi hơn cho sự phát triển và sinh sản của chúng. Điều này có nghĩa là có môi trường kỵ khí và hiếu khí tốt trong quy trình. Kiểm soát các yếu tố môi trường trong vùng kỵ khí đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển và sinh sản của vi khuẩn PAC cũng như đạt được hiệu quả loại bỏ phốt pho. Nồng độ bùn cao trong vùng kỵ khí có lợi hơn cho vi khuẩn PAC.
Hiệu quả loại bỏ phốt pho sinh học có liên quan chặt chẽ đến tuổi bùn. Chỉ với một độ tuổi bùn nhất định (khoảng 3 ngày), phốt pho dư thừa mới có thể được loại bỏ một cách hiệu quả, đạt được chức năng loại bỏ phốt pho. Với chất rắn lơ lửng (SS) có ảnh hưởng cố định, do nồng độ bùn tỷ lệ thuận với tuổi bùn, nên nồng độ bùn càng cao vượt quá một phạm vi nhất định thì hiệu quả loại bỏ phốt pho càng kém.
Một. Trong khi duy trì độ tuổi bùn đủ để loại bỏ phốt pho hiệu quả, việc tăng nồng độ bùn trong vùng kỵ khí sẽ dẫn đến nồng độ vi khuẩn PAC cao hơn tương ứng. Điều này làm tăng lượng vi sinh vật giải phóng phốt pho-, từ đó làm tăng lượng vi sinh vật hấp thụ phốt pho hiếu khí- tiếp theo, do đó nâng cao hiệu quả loại bỏ phốt pho tổng thể của hệ thống.
b. Trong vùng kỵ khí, vi khuẩn tích lũy polyphosphate{1}}sẽ hấp thụ VFA và giải phóng phốt pho. Đồng thời, trong điều kiện nồng độ bùn cao, vùng kỵ khí có thể đóng vai trò là bộ phận axit hóa kỵ khí của hệ thống, thủy phân kỵ khí các chất hữu cơ khó phân hủy, có trọng lượng phân tử-cao trong nước. Năng lượng được giải phóng trong quá trình giải phóng phốt pho do vi khuẩn tích lũy polyphosphate{6}}có thể được sử dụng để hấp thụ tích cực axit axetic, H+, v.v., tạo thành PHB và lưu trữ nó trong vi khuẩn. Điều này thúc đẩy quá trình axit hóa chất hữu cơ, cải thiện khả năng phân hủy sinh học của nước thải và tăng nguồn carbon sử dụng cho các phản ứng khử nitrat trong các quy trình xử lý tiếp theo.
