1. Khái niệm chung về tỷ lệ COD/N/P
Trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, vi sinh vật cần 3 nhóm dinh dưỡng chính:
-
Carbon (C): nguồn năng lượng và vật liệu khung (COD thể hiện lượng chất hữu cơ).
-
Nitơ (N): tổng hợp protein, enzym, acid nucleic.
-
Phospho (P): thành phần ATP, DNA, RNA, phospholipid.
Vì vậy, hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ COD/N/P trong nước thải.
2. Tỷ lệ 100/5/1 – Nhu cầu nuôi cấy và duy trì sinh khối
-
Tỷ lệ kinh điển 100 COD : 5 N : 1 P được xem là tỷ lệ tối ưu để vi sinh tăng trưởng cân bằng.
-
Ý nghĩa: cứ 100 g COD thì cần 5 g N và 1 g P cho vi sinh vật tổng hợp sinh khối mới.
-
Ứng dụng:
-
Khởi động hệ thống: giai đoạn nuôi cấy bùn hoạt tính hoặc vi sinh kỵ khí.
-
Vận hành ổn định: nếu tỷ lệ thấp hơn → vi sinh bị đói dinh dưỡng, khả năng xử lý giảm; nếu cao hơn nhiều → dinh dưỡng dư gây phú dưỡng thứ cấp.
-
Ví dụ: Nước thải công nghiệp thiếu N và P (nước thải thực phẩm, bia, sữa…) thường phải bổ sung ure (N) hoặc DAP (P) để đạt tỷ lệ này.
3. Khi hệ thống đã đủ sinh khối – nhu cầu loại bỏ N & P
Khi hệ thống vận hành ổn định (đã có đủ MLSS, MLVSS), mục tiêu không chỉ nuôi vi sinh mà là loại bỏ N và P khỏi nước thải.
Lúc này, carbon (COD) không chỉ dùng cho sinh trưởng, mà còn phải cấp cho:
-
Quá trình khử Nitơ (denitrification):
-
NO₃⁻/NO₂⁻ được khử thành N₂ nhờ vi khuẩn thiếu khí.
-
Cần donor electron → phải có đủ COD.
-
Thực nghiệm: COD/N > 4–6 g COD/g N.
-
-
Quá trình khử P sinh học (EBPR):
-
PAOs cần VFA (rbCOD) trong pha kỵ khí để tạo PHA.
-
Sau đó dùng PHA để hấp thụ lại P trong pha hiếu khí.
-
Thực nghiệm: COD/P > 20 g COD/g P.
-
Nghĩa là COD yêu cầu lúc này cao hơn nhiều so với 100/5/1, vì ngoài duy trì tế bào, còn phải phục vụ các phản ứng chuyển hóa để khử N & P.
4. Minh họa cơ chế
4.1. Giai đoạn 1 – Nuôi cấy (C/N/P = 100/5/1)
-
COD dùng cho tăng trưởng vi sinh.
-
N và P được đồng hóa vào tế bào.
-
Không có mục tiêu loại bỏ triệt để N, P trong nước → chủ yếu là “nuôi bùn”.
4.2. Giai đoạn 2 – Xử lý ổn định (C/N > 4–6; COD/P > 20)
-
COD ngoài phần cho sinh trưởng, còn phân bổ:
-
Cho denitrifiers trong pha thiếu khí.
-
Cho PAOs trong pha kỵ khí.
-
-
Nếu COD không đủ:
-
Thiếu C cho denitrification → NO₃⁻ dư.
-
Thiếu VFA cho PAOs → khử P không đạt.
-
-
Do đó, hệ thống cần COD cao hơn nhiều so với nhu cầu nuôi cấy ban đầu.
5. Kết luận
-
100/5/1: tỷ lệ cơ bản để nuôi và duy trì sinh khối trong hệ thống.
-
COD/N > 4–6 và COD/P > 20: tỷ lệ thực tế cần có để đảm bảo xử lý N & P hiệu quả trong hệ thống xử lý sinh học và các công nghệ sinh học nâng cao.
-
Trong thực tế, khi nước thải có COD thấp hoặc C/N/P mất cân bằng → phải bổ sung nguồn carbon (acetate, methanol, molasses…) để duy trì hiệu quả khử N và P.