Xử lý nước thải bằng vi sinh là phương pháp sử dụng các quần thể vi sinh vật để phân hủy, chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nước thải thành những hợp chất đơn giản và ít gây ô nhiễm hơn. Đây là một trong những phương pháp xử lý sinh học được sử dụng phổ biến trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải có thành phần hữu cơ phù hợp.
Khác với phương pháp xử lý hóa lý chủ yếu dựa vào hóa chất hoặc quá trình tách cơ học, xử lý bằng vi sinh tận dụng hoạt động chuyển hóa tự nhiên của vi sinh vật. Khi được cung cấp môi trường thích hợp về oxy, dinh dưỡng, pH và nhiệt độ, hệ vi sinh có thể phân hủy đáng kể các hợp chất hữu cơ trong nước thải.
Vậy xử lý nước thải bằng vi sinh hoạt động theo cơ chế nào? Có những công nghệ nào và quy trình vận hành ra sao? Cùng Ánh Dương Composite tìm hiểu chi tiết.
1. Xử lý nước thải bằng vi sinh là gì?
Xử lý nước thải bằng vi sinh là quá trình sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa các chất hữu cơ và một số chất dinh dưỡng có trong nước thải.
Trong môi trường tự nhiên, vi sinh vật luôn tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ. Công nghệ xử lý nước thải khai thác quá trình này bằng cách tạo ra môi trường có kiểm soát để vi sinh vật phát triển với mật độ phù hợp.
Các chất hữu cơ trong nước thải có thể trở thành nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh vật. Trong quá trình sinh trưởng, chúng phân hủy hoặc chuyển hóa các hợp chất này thành CO₂, nước, sinh khối mới và các sản phẩm chuyển hóa khác.
Tùy điều kiện vận hành, hệ thống có thể sử dụng vi sinh vật trong môi trường hiếu khí, thiếu khí hoặc kỵ khí.
2. Vì sao vi sinh có thể xử lý nước thải?
Nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải sản xuất chứa các hợp chất hữu cơ mà vi sinh vật có khả năng sử dụng.
Vi sinh vật tiết enzyme và thực hiện hàng loạt phản ứng sinh hóa để phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp thành những chất đơn giản hơn.
Có thể hình dung quá trình cơ bản:
Chất hữu cơ + vi sinh vật + điều kiện thích hợp → sinh khối + CO₂ + H₂O + sản phẩm chuyển hóa.
Trong thực tế, quá trình phức tạp hơn nhiều vì trong hệ thống tồn tại đồng thời hàng nghìn chủng và nhóm vi sinh vật khác nhau.
Mỗi nhóm có khả năng sử dụng nguồn cơ chất và thực hiện chức năng khác nhau. Vì vậy, duy trì một quần thể vi sinh cân bằng là yếu tố quan trọng trong xử lý nước thải bằng vi sinh.
3. Các nhóm vi sinh vật trong xử lý nước thải
Không phải tất cả vi sinh vật trong hệ thống xử lý đều hoạt động theo cùng một cơ chế.
Vi sinh vật hiếu khí
Vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy hòa tan để oxy hóa các chất hữu cơ.
Đây là nhóm đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ như bùn hoạt tính, Aerotank, MBBR và nhiều hệ thống xử lý sinh học khác.
Khi lượng oxy và chất dinh dưỡng phù hợp, nhóm vi sinh này phát triển và tạo thành bông bùn hoạt tính.
Vi sinh vật thiếu khí
Vi sinh vật thiếu khí hoạt động trong điều kiện có rất ít oxy tự do và có thể sử dụng Nitrat làm chất nhận electron trong quá trình khử Nitrat.
Nhóm này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý Nitơ.
Vi sinh vật kỵ khí
Vi sinh vật kỵ khí hoạt động trong điều kiện gần như không có oxy hòa tan.
Chúng tham gia phân hủy các hợp chất hữu cơ theo nhiều giai đoạn, cuối cùng có thể tạo ra khí sinh học chứa Methane và CO₂.
Công nghệ kỵ khí thường được cân nhắc đối với nước thải có tải lượng hữu cơ cao.
4. Các công nghệ xử lý nước thải bằng vi sinh phổ biến
Tùy vào tính chất nước thải, lưu lượng và yêu cầu đầu ra, có nhiều công nghệ sinh học khác nhau.
Công nghệ bùn hoạt tính
Đây là một trong những công nghệ phổ biến nhất.
Nước thải được đưa vào bể sinh học chứa bùn hoạt tính. Hệ thống cấp khí cung cấp oxy để vi sinh vật phát triển và phân hủy chất hữu cơ.
Sau đó, hỗn hợp bùn và nước được đưa sang công đoạn lắng để tách bùn khỏi nước.
Công nghệ MBBR
MBBR sử dụng các giá thể chuyển động bên trong bể sinh học để tạo diện tích bám dính cho vi sinh vật.
Nhờ có giá thể, mật độ vi sinh vật trong hệ thống có thể được duy trì cao hơn so với một số hệ thống bùn hoạt tính truyền thống.
MBBR thường được lựa chọn khi cần nâng cấp công suất hoặc tối ưu thể tích bể sinh học.
Công nghệ SBR
SBR là công nghệ xử lý sinh học theo mẻ.
Các giai đoạn nạp nước, phản ứng, lắng và rút nước diễn ra theo trình tự trong cùng một bể.
SBR có thể kết hợp điều kiện hiếu khí và thiếu khí trong các giai đoạn khác nhau để xử lý chất hữu cơ và Nitơ.
Công nghệ kỵ khí
Xử lý kỵ khí phù hợp với một số loại nước thải có tải lượng chất hữu cơ cao.
Quá trình này không cần cấp oxy liên tục và có thể tạo ra khí sinh học. Tuy nhiên, thiết kế và vận hành cần kiểm soát chặt chẽ tải lượng, pH, nhiệt độ và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật kỵ khí.
5. Quy trình xử lý nước thải bằng vi sinh
Một hệ thống thực tế thường không đưa nước thải trực tiếp vào bể vi sinh. Nước cần được tiền xử lý để bảo vệ hệ thống và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh học.
Quy trình cơ bản có thể gồm:
Thu gom → Tiền xử lý → Điều hòa → Xử lý sinh học → Lắng/tách sinh khối → Khử trùng → Xả thải hoặc tái sử dụng.
Bước 1: Thu gom nước thải
Nước thải từ các nguồn phát sinh được thu gom về hệ thống xử lý.
Việc tách riêng các dòng nước thải có tính chất đặc biệt ngay từ đầu giúp quá trình xử lý phía sau ổn định hơn.
Bước 2: Tiền xử lý
Song chắn rác, lưới lọc, bể tách dầu mỡ hoặc các thiết bị tiền xử lý khác được sử dụng để loại bỏ các chất có kích thước lớn.
Đây là bước rất quan trọng vì rác, tóc, sợi, dầu mỡ hoặc các vật liệu khó phân hủy có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống sinh học.
Bước 3: Điều hòa
Bể điều hòa giúp cân bằng lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trước khi nước thải đi vào công đoạn sinh học.
Việc ổn định tải lượng giúp hệ vi sinh tránh bị sốc khi lưu lượng hoặc nồng độ ô nhiễm thay đổi đột ngột.
Bước 4: Xử lý sinh học
Đây là công đoạn trung tâm của xử lý nước thải bằng vi sinh.
Tùy công nghệ, vi sinh vật có thể tồn tại dạng bùn lơ lửng hoặc bám trên giá thể.
Trong môi trường hiếu khí, máy thổi khí cung cấp oxy cho vi sinh vật. Các chất hữu cơ được phân hủy và chuyển hóa trong quá trình sinh trưởng của quần thể vi sinh.
Bước 5: Tách bùn
Sau quá trình sinh học, sinh khối cần được tách khỏi nước.
Hệ thống có thể sử dụng bể lắng, màng lọc hoặc các phương pháp tách khác tùy công nghệ.
Một phần bùn có thể được tuần hoàn về bể sinh học để duy trì mật độ vi sinh phù hợp, trong khi lượng bùn dư được đưa đi xử lý.
Bước 6: Khử trùng
Sau khi xử lý sinh học và tách bùn, nước có thể được khử trùng bằng phương pháp phù hợp trước khi xả ra môi trường hoặc đưa sang công đoạn xử lý tiếp theo.
6. Điều kiện để hệ vi sinh hoạt động hiệu quả
Hiệu quả của xử lý nước thải bằng vi sinh phụ thuộc rất lớn vào môi trường sống của vi sinh vật.
Oxy hòa tan
Đối với hệ thống hiếu khí, DO là một trong những thông số cần kiểm soát.
Thiếu oxy khiến hoạt động của vi sinh hiếu khí suy giảm. Tuy nhiên, cấp khí quá mức lại làm tăng điện năng và không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả xử lý cao hơn.
pH
Phần lớn hệ vi sinh xử lý nước thải hoạt động tốt trong vùng pH tương đối ổn định.
Nếu nước thải có tính axit hoặc kiềm quá cao, cần có biện pháp điều chỉnh trước hoặc trong quá trình xử lý.
Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh trưởng và hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật.
Sự thay đổi nhiệt độ đột ngột có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống.
Dinh dưỡng
Ngoài nguồn carbon, vi sinh vật cần Nitơ, Photpho và các nguyên tố vi lượng để sinh trưởng.
Nước thải có tỷ lệ dinh dưỡng không phù hợp có thể khiến quần thể vi sinh phát triển kém.
Tải lượng hữu cơ
Nếu tải lượng hữu cơ tăng đột ngột, hệ vi sinh có thể bị quá tải.
Ngược lại, tải lượng quá thấp trong thời gian dài cũng có thể ảnh hưởng đến đặc tính của bùn và khả năng duy trì sinh khối.
7. Dấu hiệu hệ vi sinh đang hoạt động không tốt
Trong quá trình vận hành, có thể nhận biết một số vấn đề thông qua màu sắc, khả năng lắng và đặc tính của bùn.
Bùn nổi hoặc lắng kém có thể liên quan đến hiện tượng bùn nở, bùn mịn hoặc điều kiện vận hành không phù hợp.
Nước sau lắng bị đục có thể xuất phát từ việc bùn chưa lắng tốt, tải lượng thay đổi hoặc quá trình sinh học chưa ổn định.
Bọt xuất hiện nhiều trên bề mặt bể sinh học cũng có thể là dấu hiệu cần kiểm tra lại điều kiện vận hành.
Tuy nhiên, không nên chỉ dựa vào một dấu hiệu để kết luận nguyên nhân. Cần kiểm tra đồng thời DO, pH, MLSS, SV30, tải lượng đầu vào và các thông số liên quan.
8. Những yếu tố làm chết hoặc suy giảm vi sinh
Một trong những lỗi phổ biến khi vận hành hệ thống là đưa các chất độc hoặc chất ức chế vào bể sinh học với nồng độ cao.
Một số hóa chất, dung môi, kim loại nặng hoặc chất khử trùng có thể ảnh hưởng đến quần thể vi sinh.
Ngoài ra, việc thay đổi tải lượng quá nhanh, thiếu oxy kéo dài, pH biến động mạnh hoặc nhiệt độ không phù hợp cũng có thể làm suy giảm hoạt tính sinh học.
Vì vậy, khi xử lý nước thải bằng vi sinh, cần kiểm soát nước đầu vào trước khi đưa vào bể sinh học thay vì chỉ tập trung vào việc bổ sung chế phẩm vi sinh.
9. Có cần bổ sung chế phẩm vi sinh cho hệ thống không?
Chế phẩm vi sinh có thể được sử dụng trong một số trường hợp để hỗ trợ quá trình khởi động hoặc phục hồi hệ thống.
Tuy nhiên, việc bổ sung càng nhiều không đồng nghĩa với hiệu quả càng cao.
Quan trọng hơn là phải duy trì môi trường phù hợp để vi sinh vật có thể sinh trưởng. Nếu thiếu oxy, pH không phù hợp hoặc nước thải chứa chất độc, việc liên tục bổ sung chế phẩm cũng khó giải quyết được nguyên nhân gốc.
Do đó, cần xác định tình trạng thực tế của hệ thống trước khi lựa chọn chủng vi sinh hoặc chế phẩm phù hợp.
10. Ưu và nhược điểm của xử lý nước thải bằng vi sinh
Ưu điểm
Phương pháp sinh học có khả năng xử lý hiệu quả nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
Hệ thống có thể kết hợp nhiều quá trình để xử lý BOD, COD, Nitơ và Photpho tùy thiết kế.
So với một số phương pháp hóa lý, xử lý sinh học có thể giảm nhu cầu sử dụng hóa chất trong công đoạn xử lý chất hữu cơ.
Nhược điểm
Hệ vi sinh nhạy cảm với những thay đổi lớn về tải lượng và thành phần nước thải.
Hệ thống cần thời gian để hình thành và duy trì quần thể vi sinh ổn định.
Ngoài ra, công đoạn sinh học thường cần được theo dõi các thông số vận hành như DO, pH, nồng độ bùn và tải lượng hữu cơ.
Vì vậy, thiết kế đúng ngay từ đầu và vận hành ổn định có vai trò rất lớn.
11. Bồn composite có thể sử dụng trong hệ thống xử lý sinh học không?
Trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa, bồn composite FRP có thể được sử dụng cho một số hạng mục chứa và xử lý tùy theo thiết kế.
Composite FRP có ưu điểm là khả năng chống ăn mòn tốt, không bị gỉ như thép và có trọng lượng tương đối nhẹ.
Đặc tính này phù hợp với môi trường thường xuyên tiếp xúc với nước và các tác nhân có khả năng gây ăn mòn.
Tuy nhiên, không nên lựa chọn bồn chỉ dựa trên dung tích. Với mỗi công trình cần xem xét điều kiện nền móng, vị trí lắp đặt, mực nước ngầm, tải trọng bên ngoài, chiều sâu chôn bồn và đặc tính nước thải.
Đặc biệt, với các bể sinh học có hệ thống cấp khí và khuấy trộn liên tục, kết cấu bồn phải đáp ứng được yêu cầu vận hành thực tế.
12. Khi nào nên lựa chọn xử lý nước thải bằng vi sinh?
Phương pháp sinh học đặc biệt phù hợp khi nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học tương đối cao.
Trước khi lựa chọn công nghệ, cần phân tích các thông số như lưu lượng, BOD, COD, TSS, Nitơ, Photpho, pH, dầu mỡ và các chất đặc thù.
Từ kết quả phân tích, đơn vị thiết kế mới có thể xác định nên sử dụng bùn hoạt tính, MBBR, SBR, kỵ khí hay kết hợp nhiều công nghệ.
Điều này giúp tránh tình trạng lựa chọn công nghệ theo xu hướng mà không phù hợp với đặc tính nước thải thực tế.
Đối với những công trình sử dụng bồn chứa hoặc bể composite, bồn composite FRP có thể là một lựa chọn phù hợp trong những điều kiện thiết kế nhất định nhờ khả năng chống ăn mòn và độ bền vật liệu.
13. Ánh Dương cung cấp giải pháp bồn composite xử lý nước thải
Ánh Dương cung cấp giải pháp bồn composite phục vụ các nhu cầu chứa và xử lý nước, hỗ trợ khách hàng lựa chọn phương án phù hợp với đặc điểm từng công trình.
Trong một hệ thống xử lý nước thải bằng vi sinh, bể chứa là một trong những hạng mục cần được lựa chọn phù hợp ngay từ giai đoạn thiết kế.
Ánh Dương cung cấp các giải pháp bồn composite FRP phục vụ nhu cầu chứa nước, xử lý nước và một số ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải.
Tùy theo công suất và điều kiện công trình, Ánh Dương có thể tư vấn lựa chọn kích thước, cấu hình và phương án lắp đặt bồn phù hợp.
Đối với công trình cần sử dụng bồn composite làm bể xử lý sinh học, việc khảo sát thực tế và xác định chính xác yêu cầu kỹ thuật là bước quan trọng để đảm bảo độ bền và hiệu quả sử dụng lâu dài.
Xem thêm: So sánh bể composite và bể bê tông trong xử lý nước thải: Giải pháp nào tối ưu hơn?
