Giới thiệu: Hôm nay chúng ta cùng tìm hiểu về nhân vật chính của xử lý sinh học – bùn hoạt tính (chất mang các loại vi sinh vật khác nhau). Nó đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình xử lý sinh học, loại bỏ các chất ô nhiễm như COD, nitơ amoniac, tổng nitơ và tổng phốt pho khỏi nước thải thông qua các vi sinh vật khác nhau trong bùn. Những người từng đến thăm các nhà máy xử lý nước thải đều có thể ngửi thấy mùi bùn thoang thoảng; đó chính là mùi bùn hoạt tính!
01 Nguồn gốc của bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1912 bởi Clark và Gage ở Anh, xuất phát từ một thí nghiệm nhỏ. Trong thí nghiệm, quá trình sục khí kéo dài của nước thải tạo ra bùn và chất lượng nước được cải thiện đáng kể. Arden và Lockgtt sau đó đã nghiên cứu hiện tượng này.
Các thí nghiệm sục khí được tiến hành trong chai. Vào cuối mỗi ngày thí nghiệm, các chai được đổ hết và quá trình lại bắt đầu vào ngày hôm sau. Họ vô tình phát hiện ra rằng do chai không được làm sạch kỹ lưỡng nên hiệu quả xử lý thực sự tốt hơn khi bùn bám vào thành chai. Nhận thức được tầm quan trọng của bùn còn sót lại trên thành chai, họ đặt tên là bùn hoạt tính.
Sau đó, trước khi kết thúc thí nghiệm mỗi ngày, họ cho phép nước thải có ga lắng xuống, chỉ loại bỏ lớp nước tinh khiết trên cùng và để lại bùn ở phía dưới để sử dụng vào ngày hôm sau. Điều này rút ngắn đáng kể thời gian xử lý nước thải.
Năm 1916, nhà máy xử lý nước thải bùn hoạt tính đầu tiên được xây dựng bằng quy trình thử nghiệm này.
02 Thành phần cấu trúc và tính chất vật lý của bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính là chất keo tụ được hình thành bởi hỗn hợp các quần thể vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh, động vật metazoa với các chất lơ lửng, keo trong nước thải. Nó có khả năng hấp phụ và phân hủy chất hữu cơ mạnh mẽ cũng như tính chất lắng tốt và có hoạt tính sinh hóa.
Bông bùn và vi khuẩn dạng sợi là thành phần quan trọng của bùn hoạt tính.
Flocs được hình thành do sự kết tụ của vi khuẩn với chất nhầy hoặc viên nang. Chúng hấp thụ các tạp chất và vi sinh vật tự do trong nước thải, tạo cho bùn hoạt tính tính chất lắng tuyệt vời và bảo vệ vi sinh vật trong nước thải không bị ăn vào hoặc bị nhiễm độc.
Vi khuẩn dạng sợi tạo thành bộ xương của bùn hoạt tính. Chúng phát triển và kéo dài dưới sự gắn kết của các khối, khiến các khối tạo thành các hạt lớn hơn trong khi vẫn duy trì độ lỏng của bùn hoạt tính.
Về hình thức, bùn hoạt tính thường có màu vàng hoặc vàng nâu-. Nó chuyển sang màu đen khi nguồn cung cấp oxy không đủ hoặc kỵ khí và màu xám-khi nguồn cung cấp oxy quá nhiều và chất dinh dưỡng không đủ. Bùn hoạt tính có hàm lượng nước cao, thường trên 99% và mật độ tương tự như nước, thường là 1,002–1,003 kg/L.
03 Thành phần vi sinh vật trong bùn hoạt tính
Trong các vi sinh vật bùn hoạt tính, động vật nguyên sinh ăn vi khuẩn, trong khi động vật nguyên sinh ăn cả động vật nguyên sinh và vi khuẩn, tạo thành chuỗi thức ăn và quần xã sinh học cân bằng. Vi khuẩn trong bùn hoạt tính thường tồn tại ở dạng bông cặn, số lượng vi khuẩn tồn tại ở trạng thái tự do ít hơn. Điều này mang lại cho vi khuẩn khả năng chống lại các yếu tố bất lợi bên ngoài. Vi khuẩn tự do không dễ lắng xuống nhưng có thể bị động vật nguyên sinh săn mồi, do đó làm cho nước thải từ bể lắng trong hơn.
1. Vi khuẩn
Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào. Chúng rất đa dạng, nhiều và có kích thước cực nhỏ trong bùn hoạt tính, có khả năng hấp phụ và phân hủy chất hữu cơ mạnh mẽ, đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải.
Trong giai đoạn đầu của quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính, phần lớn vi khuẩn không có trong nước thải. Khi bùn dần hình thành, chúng dần dần tập hợp thành các nhóm lớn hơn.
(1) Flocs: Đây là những hạt nhỏ, có thể nhìn thấy được bao gồm vi khuẩn và các chất keo được tiết ra của chúng. Hầu hết vi khuẩn trong bùn hoạt tính được bọc trong chất keo, tồn tại ở dạng bông cặn. Flocs là trung tâm cấu trúc và chức năng của bùn hoạt tính, có các đặc tính như hấp phụ, phân hủy oxy hóa và lắng đọng đông tụ.
(2) Vi khuẩn dạng sợi: Đây là loại vi khuẩn có tế bào, có hoặc không có vỏ bọc, liên kết với nhau để tạo thành sợi. Vi khuẩn dạng sợi thường bám vào và đan xen với các khối vi khuẩn, tạo thành bộ xương của bùn cặn. Tuy nhiên, khi chúng sinh sôi nảy nở với số lượng lớn, chúng có thể làm xấu đi đặc tính keo tụ và lắng của bùn hoạt tính, và trong trường hợp nghiêm trọng có thể gây ra hiện tượng đóng cặn bùn.
(3) Vi khuẩn nitrat hóa Vi khuẩn nitrat hóa là loại vi khuẩn tự dưỡng có khả năng phân hủy amoniac và nitrit. Chúng bao gồm hai nhóm nhỏ sinh lý: *Vi khuẩn nitrat hóa* và *Vi khuẩn nitrat hóa*, thuộc một họ độc lập-Họ vi khuẩn nitrat hóa. Vi khuẩn nitrat hóa thu được năng lượng để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của chúng bằng cách oxy hóa các hợp chất vô cơ thông qua quá trình nitrat hóa, sử dụng CO2 làm nguồn carbon duy nhất. Chúng là những vi khuẩn hóa tự dưỡng điển hình. Vi khuẩn nitrat hóa có quá trình nitrat hóa, đề cập đến quá trình vi khuẩn nitrat hóa oxy hóa NH3 thành NO2{16}} trong điều kiện hiếu khí và tiếp tục oxy hóa nó thành NO3-, từ đó thu được năng lượng cần thiết cho sự tăng trưởng. Giai đoạn đầu tiên, quá trình oxy hóa NH3 thành NO2-, được gọi là quá trình nitrat hóa hoặc quá trình oxy hóa amoniac và được hoàn thành bởi vi khuẩn nitrat hóa; Giai đoạn thứ hai, quá trình oxy hóa NO2- thành NO3-, được gọi là quá trình nitrat hóa và được hoàn thành bởi vi khuẩn nitrat hóa. Do đó, quá trình nitrat hóa thường được thảo luận thực sự bao gồm hai giai đoạn: quá trình nitrat hóa bằng vi khuẩn oxy hóa nitrit và quá trình nitrat hóa bằng vi khuẩn nitrat hóa.
(4) Vi khuẩn khử nitrat: Vi khuẩn khử nitrat là vi khuẩn hóa dị dưỡng. Trong điều kiện thiếu oxy-, chúng khử nitrat thành nitrit và tiếp tục khử nitrit thành khí nitơ, từ đó thu được năng lượng. Về cơ bản, điều này trái ngược với chức năng của vi khuẩn nitrat hóa (bản chất rất thú vị theo cách này; hai loại vi khuẩn khác nhau đạt được chu trình nitơ). Vi khuẩn khử nitrat phân bố rộng rãi trong đất và nước thải, đóng vai trò chính trong xử lý nước cảnh quan, quản lý sông đô thị và xử lý nuôi trồng thủy sản.
(5) Vi khuẩn axit hóa thủy phân: Đây là những vi khuẩn có thể sử dụng các phân tử hữu cơ lớn, phức tạp cho các hoạt động sống trong môi trường yếm khí. Thủy phân là quá trình trong đó các polyme phức tạp, không hòa tan được chuyển đổi thành các monome hoặc dimer hòa tan đơn giản. Do trọng lượng phân tử tương đối lớn nên chất hữu cơ có trọng lượng-phân tử{4}} cao không thể đi qua màng tế bào và do đó vi khuẩn không thể sử dụng trực tiếp. Đầu tiên chúng được chuyển đổi thành các phân tử nhỏ hơn nhờ hoạt động thủy phân của các enzym ngoại bào của vi khuẩn. Đặc điểm điển hình nhất của giai đoạn này là phản ứng sinh học xảy ra ở ngoại bào. Vi khuẩn hoàn thành các phản ứng oxy hóa xúc tác sinh học bằng cách giải phóng các enzyme tự do ngoại bào hoặc các enzyme cố định gắn vào thành tế bào.
Và vân vân... có rất nhiều loại vi khuẩn nên tôi sẽ dừng lại ở đây. Giới thiệu chi tiết về các loài vi khuẩn đơn lẻ có thể được cung cấp sau.
2. Động vật nguyên sinh
Động vật nguyên sinh là những động vật đơn bào nhỏ, đơn giản,-cấp độ{1}}tế bào thấp. Một số lượng lớn động vật nguyên sinh tồn tại trong bùn hoạt tính từ quá trình xử lý nước thải. Chúng tham gia vào quá trình lọc nước thải bằng cách ăn các hạt hữu cơ. Hơn nữa, vì động vật nguyên sinh rất nhạy cảm với điều kiện môi trường nên thành phần và số lượng của chúng thay đổi theo sự thay đổi của môi trường; do đó, chúng thường được sử dụng làm sinh vật chỉ thị. Các ví dụ phổ biến bao gồm vorticella, amip, roi và ớt bơi. Những vi sinh vật này chiếm hơn 80% tổng số. Nếu số lượng cá thể vượt quá 1000/mL thì được coi là bùn hoạt tính có hiệu suất lọc cao.
3. Vi kim loại
Các micrometazoa chính trong bùn hoạt tính là luân trùng và tuyến trùng. Nói chung, số lượng metazo cực nhỏ trong bùn hoạt tính tương đối nhỏ. Tuy nhiên, trong bùn hoạt tính-tải trọng thấp, đặc biệt là trong bùn hoạt tính có sục khí kéo dài, luân trùng và oligochaetes đôi khi có thể trở thành loài chiếm ưu thế.
04 Chỉ số hiệu suất của bùn hoạt tính Cộng đồng vi sinh vật chủ yếu bao gồm vi khuẩn, động vật nguyên sinh và động vật metazoa, trong đó vi khuẩn và động vật nguyên sinh là hai loại chính. Các chỉ tiêu hoạt động của bùn hoạt tính bao gồm: chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS), tỷ lệ lắng bùn (SV), chỉ số thể tích bùn (SVI), chỉ số mật độ bùn (SDI).
Chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) biểu thị tổng trọng lượng của chất rắn bùn hoạt tính chứa trong một đơn vị thể tích hỗn hợp rượu trong bể sục khí, tức là:
MLSS=Ma + Me + Mi + Mii
Ma – Quần thể vi sinh vật có hoạt động trao đổi chất;
Tôi – Tàn dư từ quá trình trao đổi chất nội sinh và quá trình tự-oxy hóa của vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn);
Mi – Chất hữu cơ trơ mà vi khuẩn khó phân hủy, được mang theo trong nước thải thô;
Mii – Chất vô cơ được mang theo trong nước thải.
Đơn vị là mg/L hoặc kg/m³.
Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi hỗn hợp rượu (MLVSS) đại diện cho nồng độ chất rắn hữu cơ trong bùn hoạt tính của rượu hỗn hợp, tức là:
MLVSS=Mã + Tôi + Mi
Tỷ lệ MLVSS so với MLSS được biểu thị bằng f. Trong điều kiện bình thường, giá trị f tương đối cố định, khoảng 0,75 đối với nước thải sinh hoạt.
Cả MLVSS và MLSS đều có thể được sử dụng để phản ánh nồng độ bùn trong bể xử lý sinh học. So sánh dữ liệu hàng ngày có thể tiết lộ sự phát triển của bùn hoạt tính. Tuy nhiên, MLVSS loại trừ chất vô cơ nên giá trị của nó gần với số lượng vi sinh vật thực tế hơn.
Tốc độ lắng bùn (SV), còn gọi là tốc độ lắng 30 phút, là phần trăm thể tích bùn kết tủa hình thành sau khi hỗn hợp dung dịch lắng trong bình chia độ trong 30 phút, được biểu thị bằng phần trăm (%).
Trong giai đoạn đầu của quá trình nuôi cấy bùn hoạt tính, tốc độ lắng có thể được sử dụng để quan sát bước đầu sự phát triển của bùn. Thông thường, SV bùn hoạt tính ổn định, bình thường nằm trong khoảng 20-35%. SV thấp hơn cho thấy nồng độ bùn không đủ, trong khi SV cao hơn cho thấy bùn phát triển quá nhanh (quá nhiều chất dinh dưỡng, có thể do nguồn carbon quá mức).
Chỉ số thể tích bùn (SVI) hay còn gọi là chỉ số bùn là thể tích bùn lắng (tính bằng mL) trên mỗi gam bùn khô sau 30 phút lắng trong dung dịch hỗn hợp tại cửa ra của bể sục khí. Công thức tính chỉ số thể tích bùn là:
SVI=SV/MLSS
SVI được sử dụng để đánh giá hiệu suất lắng của bùn và phạm vi bình thường của nó thường nằm trong khoảng từ 70 đến 150 mL/g. Giá trị SVI thấp cho thấy hoạt độ bùn thấp và hàm lượng chất vô cơ cao; giá trị SVI cao cho thấy khả năng tạo cặn bùn và hiệu suất lắng kém.
Chỉ số mật độ bùn (SDI), thường được gọi là mật độ, là nghịch đảo của SVI.