Luận án tiến sĩ: Công nghệ SBR sử dụng bùn hạt hiếu khí xử lý nước thải đô thị - Phạm Văn Doanh

Bể phản ứng sinh học theo mẻ vận hành dựa trên các pha kế tiếp nhau trong một chu kỳ khép kín. Chu kỳ tiêu chuẩn gồm năm pha chính: nạp nước thải, phản ứng hiếu khí/thiếu khí, lắng tĩnh, xả nước trong và chờ. Pha nạp nước nhanh tạo áp lực chọn lọc thủy lực mạnh mẽ. Pha phản ứng cung cấp oxy hòa tan cho quá trình oxy hóa sinh học. Pha lắng diễn ra rất nhanh nhờ đặc tính phân tách lỏng - rắn vượt trội của các hạt bùn. Pha xả loại bỏ phần nước trong đã xử lý ở phía trên bề mặt. Pha chờ giúp hệ thống cân bằng nồng độ chất nền trước chu kỳ kế tiếp. Toàn bộ quy trình diễn ra liên tục theo lịch trình cài đặt sẵn trên bộ điều khiển logic lập trình PLC. Chế độ vận hành gián đoạn cho phép kiểm soát linh hoạt các thông số công nghệ theo tải lượng thực tế.

Bùn hạt hiếu khí (aerobic granular sludge) là tập hợp vi sinh vật tự liên kết thành cấu trúc hình cầu có kích thước từ 0.5 đến vài milimét. Hạt bùn có mật độ vi sinh vật rất cao, ranh giới rõ ràng và không cần giá thể mang nhân tạo. Cấu trúc phân lớp từ ngoài vào trong tạo nên các vi môi trường hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí đồng thời. Lớp vỏ ngoài chứa vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí và vi khuẩn oxy hóa amoni. Vùng trung gian tạo điều kiện cho vi khuẩn khử nitrat hoạt động. Vùng lõi trong cùng hỗ trợ vi sinh vật kỵ khí chuyển hóa photpho. Cấu trúc sinh học này mang lại khả năng chống chịu tải trọng sốc cực tốt trước các biến động về độc chất và nhiệt độ. Tính toàn vẹn cấu trúc giúp bùn duy trì hoạt tính sinh khối bền vững qua nhiều tháng vận hành liên tục.

Chất nền ngoại bào EPS (extracellular polymeric substances) đóng vai trò chất keo sinh học liên kết các tế bào vi khuẩn thành khối bền vững. EPS bao gồm protein (PN), polysaccharide (PS), axit nucleic và lipid do vi sinh vật tiết ra trong pha phản ứng. Tỷ lệ PN/PS cao làm tăng tính kỵ nước của bề mặt tế bào. Tính kỵ nước mạnh thúc đẩy các vi khuẩn tự áp sát và kết dính chặt chẽ với nhau. Lớp vỏ EPS bảo vệ vi sinh vật khỏi các lực cắt thủy lực mạnh và sự tấn công của các chất độc hại trong nước thải. Khi nguồn cơ chất bên ngoài cạn kiệt, EPS còn đóng vai trò nguồn dự trữ năng lượng nội bào cho quần thể vi sinh vật. Sự gia tăng hàm lượng EPS liên kết chặt (TB-EPS) là thước đo quan trọng phản ánh mức độ trưởng thành của bùn hạt.

Thời gian lắng ngắn tạo áp lực lựa chọn quyết định tốc độ hình thành và chất lượng bùn hạt hiếu khí. Việc rút ngắn thời gian lắng xuống mức 3 - 5 phút buộc các khối bùn bông nhẹ phải trôi theo dòng nước xả. Chỉ các hạt bùn có khối lượng riêng lớn và tốc độ lắng bùn hạt vượt trội mới được giữ lại trong bể. Tốc độ lắng của hạt bùn đạt từ 25 đến 70 m/h, cao hơn nhiều lần so với bùn hoạt tính truyền thống (1 - 5 m/h). Chỉ số thể tích bùn SVI giảm rõ rệt, duy trì ở mức SVI30 nhỏ hơn 50 mL/g. Tỷ số giữa SVI30 và SVI5 tiến dần về giá trị 1.0, chứng minh khả năng nén lắng hoàn hảo của hạt bùn. Cơ chế đào thải này giúp hệ thống tự làm giàu sinh khối có hoạt tính lắng xuất sắc.

Hiện tượng khử nitrat hóa đồng thời SND (simultaneous nitrification and denitrification) xảy ra nhờ thang gradient oxy hòa tan khuếch tán bên trong hạt bùn. Bề mặt ngoài tiếp xúc oxy nồng độ cao tạo điều kiện cho vi khuẩn nitrat hóa chuyển amoni (NH4+) thành nitrit và nitrat (NO3-). Khi oxy thẩm thấu sâu vào bên trong, nồng độ oxy giảm dần về mức bằng 0 tạo ra vùng thiếu khí ở lớp giữa. Tại đây, vi khuẩn khử nitrat hóa sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử để chuyển hóa thành khí nitơ (N2) tự do thoát ra môi trường. Quá trình SND diễn ra liên tục mà không cần tạo hai pha hiếu khí - thiếu khí tách biệt về mặt thời gian. Nhờ đó, hiệu quả loại bỏ tổng nitơ (TN) toàn diện đạt từ 80% đến 88% trong điều kiện tải nạp ổn định.

Quá trình loại bỏ photpho sinh học EBPR (enhanced biological phosphorus removal) diễn ra nhờ sự hiện diện của sinh vật tích lũy photpho (PAOs) và sinh vật khử nitrat tích lũy photpho (DPAOs). Trong điều kiện kỵ khí ở vùng lõi hạt, PAOs tiêu thụ axit béo bay hơi (VFA) và giải phóng photpho vào dung dịch. Khi chuyển sang điều kiện hiếu khí, PAOs hấp thu photpho vượt mức vào tế bào dưới dạng polyphosphate nội bào. Quá trình loại bỏ photpho ra khỏi hệ thống được hoàn tất qua việc xả định kỳ lượng bùn hạt già tích lũy photpho dư thừa. Bùn hạt hiếu khí mang lại hiệu quả khử photpho tổng (TP) ổn định từ 85% đến 95%. Sự tích hợp EBPR trong công nghệ SBR giảm thiểu hoàn toàn nhu cầu châm hóa chất keo tụ đắt tiền.

Tải trọng hữu cơ OLR đóng vai trò cung cấp dinh dưỡng kích thích vi sinh vật tổng hợp sinh khối và EPS. Mức tải trọng OLR tối ưu thường dao động từ 1.5 đến 4.0 kg COD/m3.ngày đối với nước thải đô thị. Tốc độ dâng của bọt khí (upflow air velocity) cần duy trì từ 1.2 đến 2.5 cm/s để tạo lực trượt thủy lực tròn đều. Lực trượt này liên tục mài mòn các sợi nấm và vi khuẩn dạng sợi bám trên bề mặt hạt, giữ cho hạt luôn trơn láng và đặc chắc. Giai đoạn sục khí cần phân chia hợp lý giữa chế độ sục khí ngắt quãng và liên tục nhằm hỗ trợ quá trình chuyển hóa dinh dưỡng. Kiểm soát lưu lượng khí thổi giúp tiết kiệm năng lượng điện vận hành máy nén khí mà vẫn đảm bảo tốc độ tạo hạt.

Giám sát định kỳ chỉ số thể tích bùn SVI là phương pháp then chốt để đánh giá tình trạng vật lý của hệ vi sinh vật. Tỷ số SVI30/SVI5 tiến gần giá trị 0.9 - 1.0 báo hiệu hạt bùn đạt độ nén chặt và ổn định cơ học cao. Nếu SVI tăng cao đột ngột, việc rút ngắn thời gian lắng xả bùn giúp loại bỏ ngay các khối bùn suy thoái. Chu kỳ xả nước trong cần được thiết kế với cửa thu nước xả bề mặt có van điều khiển tự động. Tỷ lệ trao đổi thể tích nước thải VER thường cài đặt ở mức 40% đến 60% tổng dung tích bể. Quản lý tốt chu kỳ xả giúp ngăn ngừa hiện tượng cuốn trôi bùn hạt non ra nguồn tiếp nhận, duy trì lượng sinh khối ổn định.

Ứng dụng bùn hạt hiếu khí trong bể SBR giúp tiết kiệm từ 50% đến 75% diện tích mặt bằng xây dựng nhà máy. Nồng độ bùn hoạt tính duy trì ở mức rất cao (MLSS từ 8 - 12 g/L) cho phép giảm thể tích bể phản ứng xuống một nửa. Việc tích hợp toàn bộ các quá trình xử lý carbon, nitơ, photpho và lắng vào một bể duy nhất loại bỏ hoàn toàn bể lắng bậc hai và bể phân hủy bùn cồng kềnh. Chi phí xây dựng công trình ngầm, đường ống kết nối và hệ thống bơm tuần hoàn giảm rõ rệt. Nhờ thể tích bùn dư sinh ra ít hơn và có độ ẩm thấp, chi phí cho công tác xử lý và ép bùn thải cũng được cắt giảm đáng kể.

Nước thải đô thị tại Việt Nam thường có đặc trưng hàm lượng chất hữu cơ thấp và tỷ lệ C/N biến động lớn theo mùa. Công nghệ SBR sử dụng bùn hạt hiếu khí thể hiện khả năng thích nghi cao với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam. Nhiệt độ nước thải ấm quanh năm (25 - 32°C) là môi trường lý tưởng thúc đẩy vi sinh vật phát triển và đẩy nhanh tốc độ tạo hạt. Giải pháp này rất phù hợp để cải tạo, nâng công suất các nhà máy xử lý nước thải đô thị hiện hữu đang quá tải về mặt bằng. Việc áp dụng công nghệ bùn hạt hiếu khí mở ra triển vọng lớn trong việc hiện đại hóa hệ thống thoát nước đô thị với chi phí tối ưu.