1. Oxy hóa hiếu khí (Aerobic Oxidation)
1.1. Mục đích
Áp dụng từ đầu thế kỷ 20 nhằm:
-
Loại bỏ hợp chất hữu cơ để tránh suy giảm DO trong nguồn tiếp nhận.
-
Ngăn tích tụ chất rắn và điều kiện bất lợi.
-
Giảm mầm bệnh trong nước thải xả ra.
Tiêu chuẩn thứ cấp EPA (1972) yêu cầu ≥ 85 % BOD và TSS.
1.2. Cơ chế và mô tả
-
Nguyên tắc: Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng hữu cơ (nguồn C) và oxy hòa tan (chất nhận e⁻).
-
Công nghệ:
-
Sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính, SBR…)
-
Sinh trưởng bám dính (lọc sinh học, MBBR, biofilm…)
-
-
Quá trình:
-
Đồng hóa: hữu cơ → sinh khối mới.
-
Hô hấp nội sinh: phân hủy sinh khối dư.
-
1.3. Vi sinh vật chính
-
Vi khuẩn dị dưỡng tạo floc.
-
Protozoa ăn vi khuẩn tự do, cải thiện nước ra.
-
Rotifer, giun nhỏ ở SRT dài.
1.4. Vấn đề vận hành
-
Bulking: bùn nở, khó lắng (SVI > 150 mL/g).
-
Foaming: bọt do vi khuẩn kỵ nước (Gordonia amarae, Nocardia).
1.5. Phản ứng và động học
-
Oxy hóa hữu cơ:
\[COHNS + O_2 + \text{dinh dưỡng} \to CO_2 + NH_3 + \text{sinh khối mới} + \text{sản phẩm khác}\] -
Hô hấp nội sinh:
\[C_5H_7NO_2 + 5O_2 \to 5CO_2 + 2H_2O + NH_3\] -
Monod:
\[r_{su} = \frac{kXS}{K_s + S}, \quad r_x = Y r_{su} - bX\] -
pH 6–9, DO ≥ 2 mg/L, SRT phụ thuộc nhiệt độ và tải hữu cơ.
2. Oxy hóa sinh học nitơ vô cơ (Biological Oxidation of Inorganic Nitrogen)
2.1. Mục tiêu
Chuyển NH₄⁺-N → NO₂⁻-N → NO₃⁻-N để:
-
Giảm độc tính và tiêu hao DO.
-
Giảm N tổng.
-
Chuẩn bị cho khử nitrat.
Các bước
-
Nitritation (AOB):
\[NH_4^+ + 1.5O_2 \to NO_2^- + 2H^+ + H_2O\] -
Nitratation (NOB):
\[\mathrm{NO_2^-} + 0.5\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-}\]
Tổng:
\[NH_4^+ + 2O_2 \to NO_3^- + 2H^+ + H_2O\]2.2. Vi sinh vật
-
AOB: Nitrosomonas, Nitrosospira (β-Proteobacteria).
-
NOB: Nitrobacter (α-Proteobacteria), Nitrospira (δ-Proteobacteria).
-
AOA: Nitrosopumilus maritimus (thích nghi DO thấp).
2.3. Động học nitrification
Monod kép:
SRT, cơ chất và sinh khối AOB
-
SRT cho AOB:
\[\mu_{AOB} = \frac{1}{SRT}\] -
Hiệu chỉnh nhiệt độ:
\[\mu_{\max,T}=\mu_{\max,20}\,\theta^{\,T-20},\qquad b_T=b_{20}\,\theta^{\,T-20}\] -
Hiệu chỉnh DO cho \(\mu_{\max}\):
\[\mu_{\max,\mathrm{DO}}=\mu_{\max,T}\,\frac{S_O}{S_O+K_{O,AOB}}\]
-
Cơ chất NH₄⁺-N dòng ra:
\[\boxed{S_{NH} = \frac{K_{NH}[1 + b_{AOB}SRT]}{SRT(\mu_{\max,AOB,DO} - b_{AOB}) - 1}}\]với:
\[\mu_{\max,AOB,DO} = \mu_{\max,AOB} \frac{S_O}{S_O + K_{O,AOB}}\] -
Sinh khối AOB:
\[\boxed{X_{AOB} = \frac{Q N_{OX} SRT}{V[1 + b_{AOB} SRT]}}\] -
Tốc độ oxy hóa NH₄⁺-N:
\[r_{NH} = \mu_{\max,AOB} \frac{S_{NH}}{S_{NH} + K_{NH}} \frac{S_O}{S_O + K_{O,AOB}} X_{AOB}\]
2.3. Yếu tố ảnh hưởng
-
DO: 2–4 mg/L tối ưu; < 0.2 mg/L ức chế.
-
pH: 7.5–8.0 tối ưu; < 7.0 giảm tốc độ.
-
Kiềm: tiêu hao ~ 7.14 g CaCO₃/g NH₄⁺-N.
-
Nhiệt độ: tối ưu ~ 30 °C.
-
Chất độc: Ni, Cr, Cu, hợp chất hữu cơ độc.
-
Ức chế: NH₃ tự do > 0.1–1.0 g/m³; HNO₂ tự do 0.05–0.8 g/m³.
2.4. Lưu ý thiết kế
-
SRT nitrification dài hơn BOD removal.
-
Tải nitơ và tuần hoàn bùn ảnh hưởng chọn lọc r-strategist (NH₄⁺ cao) hay K-strategist (NH₄⁺ thấp).
-
Có thể vận hành single-sludge hoặc two-sludge.