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.