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

  1. Nitritation (AOB):

    \[NH_4^+ + 1.5O_2 \to NO_2^- + 2H^+ + H_2O\]

  2. 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:

\[\mu_{AOB} = \mu_{\max,AOB} \frac{S_{NH}}{S_{NH} + K_{NH}} \frac{S_O}{S_O + K_{O,AOB}} - b_{AOB}\]
\[\mu_{NOB} = \mu_{\max,NOB} \frac{S_{NO2}}{S_{NO2} + K_{NO2}} \frac{S_O}{S_O + K_{O,NOB}} - b_{NOB}\]

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.