1. TỔNG QUAN 
 
Vi khuẩn phân tán hoặc lơ lửng sử dụng oxy phân tử tự do (O2) hoạt động ở nồng độ oxy hòa tan (DO)<0,3 mg/L. Tuy nhiên, khi tạo bông, nồng độ DO ngoài hạt bông phải có khả năng thấm vào nhân các hạt bông và cung cấp lượng oxy hòa tan thích hợp trong nhân.
 
Oxy hòa tan được cung cấp cho bất kỳ quá trình bùn hoạt tính nào, bao gồm trình tự sáu phản ứng dựa trên nhu cầu xử lý nước thải sinh học cơ bản. Những nhu cầu này:
• Thúc đẩy hình thành các bông keo
• Đảm bảo hô hấp nội sinh
• Oxy hóa (phân hủy) cBOD
• Oxy hóa (phân hủy) nBOD
• Ngăn chặn tăng trưởng không mong muốn sinh vật dạng sợi
• Hấp thụ phốt pho sinh học
 
THÚC ĐẨY HÌNH THÀNH TẠO BÔNG
 
Dạng bông là sự phát triển dày đặc, bền vững và các hạt bông trưởng thành hoặc chất rắn (Hình 14.1). Điều kiện này làm cho (1) lắng và nén chặt của các chất rắn trong pha lắng và (2) ngăn chặn hành động cắt (xáo trộn) và mất mát chất rắn tinh thông qua thông khí và xáo trộn các chất rắn.
 
Hình 14.1 Hạt bông trưởng thành. Một hạt bông trưởng thành có kích thước trung bình (150-500 µm) hoặc lớn (≥500 µm) và hình dạng bất thường trong do sự tăng trưởng của một số lượng hạn chế (1-5) sinh vật dạng sợi. Các hạt bông có màu vàng - nâu trong nhân do sự tích tụ của các loại dầu từ vi khuẩn tế bào cũ và nhạt màu ở vành đai do thiếu các loại dầu từ các tế bào vi khuẩn trẻ. Các hạt bông bền vững hoặc màu xanh đậm do methylene nhuộm màu xanh và được kiểm tra nhuộm ngược. Không có sự tăng trưởng đáng kể Zoogloeal, bông bắc cầu, hoặc hình thành các bông keo mở. Phần lớn quanh hạt bông là sạch; đó là có sự phát triển phân tán nhỏ và vật liệu hạt. Các hạt bông có thể có trùng lông bò trượt hoặc bám trên bề mặt của chúng.
 
Các chất rắn được xem là hỗn hợp rắn lơ lửng (MLSS) bao gồm các thành phần không sống và vật sống. Hầu hết các thành phần sống là vi khuẩn.
 
Bởi vì vi khuẩn không ổn định, chúng được xem là hỗn hợp rắn dễ bay hơi (MLVSS) và đại diện cho khoảng 65% đến 75% MLSS.
 
Một điển hình, hạt bông trưởng thành thường có kích thước > 150 µm, bất thường về hình dạng và màu vàng - nâu. Các hạt bông chứa một số sinh vật dạng sợi (khoảng 1-5) được tìm thấy hoặc là trong các hạt hoặc số lượng lớn từ chu vi các hạt.
 
Nếu bể SBR không có điều kiện hoạt động bất lợi, việc hình thành các bông keo có thể đạt được ở nồng độ oxy hòa tan của ≥1 mg/L. Việc khởi tạo hình thành các bông keo với nước thải sinh hoạt, thành phố mất khoảng 1 ngày MCRT, còn khởi tạo hình thành các bông keo với nước thải công nghiệp mất khoảng 3 ngày MCRT. Sự trưởng thành của các hạt bông mất khoảng 7-10 ngày MCRT.
 
ĐẢM BẢO HÔ HẤP NỘI SINH
 
Hô hấp nội sinh là do vi khuẩn oxy hóa lương thực dự trữ.
 
Nhiều vi khuẩn tiêu hóa thực phẩm (1) như một lớp nhớt phủ các tế bào hoặc (2) hạt tinh bột lắng đọng bên trong và bên ngoài tế bào (Hình 14.2).
Hình 14.2 Thực phẩm chứa bởi các tế bào vi khuẩn. Có hai dạng chính của thực phẩm lưu trữ được sử dụng bởi các tế bào vi khuẩn. Bao gồm sản phẩm hạt tinh bột và lớp phủ polysaccharide. Các hạt tinh bột có thể được tìm thấy bên trong các tế bào hoặc bên trong lớp polysaccharide. Không phải tất cả các vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn dạng sợi, có khả năng lưu trữ thực phẩm.
 
Thực phẩm lưu trữ được phân hủy trong bể SBR trong bất kỳ các điều kiện sau đây:
• Sau khi sự phân hủy dòng cBOD hòa tan
• Giảm đáng kể cBOD hòa tan
• Gia tăng đáng kể số lượng hạt keo hoặc cBOD đi kèm với sự sụt giảm về số lượng cBOD.
• Trong thời gian giải phóng phốt pho sinh học.
 
Kết quả hô hấp nội sinh dẫn đến tiêu dùng DO. Với sự gia tăng MLVSS (Đọc thêm: Tài liệu 2.17 Gia tăng phần trăm MLVSS), một số lượng lớn các vi khuẩn và lương thực dự trữ xuất hiện trong SBR. Do đó, hô hấp nội sinh tiêu thụ một lượng lớn DO với tăng MLVSS. Sự giảm thích hợp của thực phẩm trong hô hấp nội sinh xảy ra tại giá trị DO ≥0.8 mg/L.
 
Khi thức ăn được lưu trữ đã cạn kiệt, vi khuẩn bắt đầu làm suy giảm (tiêu hóa) tế bào chất của chúng (Hình 14.3). Điều này được gọi là hô hấp cơ bản và là một sự tiếp nối của hô hấp nội sinh. Hô hấp cơ bản cũng tiêu thụ một lượng lớn DO. 
 
Hình 14.3 Tiêu hóa của tế bào chất, hô hấp cơ bản. Sau khi tế bào vi khuẩn đã tiêu thụ hạt tinh bột và các polysaccharide trong hô hấp nội sinh, hô hấp nội sinh có thể tiếp tục nếu các tế bào vi khuẩn bắt đầu tiêu hóa bản thân; nghĩa là, nó sẽ tiêu hóa tế bào chất của nó hoặc "ruột". Khi điều này xảy ra, việc tiếp tục hô hấp nội sinh được gọi là hô hấp cơ bản.
 
Hô hấp nội sinh và sự xuất hiện của hô hấp cơ bản làm giảm đáng kể các thành phần bay hơi của MLSS. Sự suy giảm các thành phần bay hơi thúc đẩy giải quyết tốt hơn các chất rắn. Hô hấp nội sinh và hô hấp cơ bản được đẩy mạnh trong một trình tự phản ứng với sự gia tăng MCRT và MLVSS và giảm tỷ lệ F/M.
 
OXY HÓA (PHÂN HỦY) cBOD
 
Quá trình oxy hóa hoặc làm giảm cBOD có thể xảy ra nhanh hay chậm trong bể SBR. Tỷ lệ phân hủy là tùy thuộc vào nhiều điều kiện hoạt động, bao gồm cả các loại cBOD hiện tại (Đọc thêm:Tài liệu 2.15 Bùn xả cBOD hòa tan) và nồng độ oxy hòa tan. BOD carbon bao gồm các hợp chất hữu cơ - có nghĩa là, các hợp chất có chứa carbon và hydro.
 
Ví dụ cBOD hòa tan bao gồm methanol (CH3OH), ethanol (CH3CH2OH), acetate (CH3COOH), và sucrose (C6H12O6). Các hợp chất này đại diện cho rượu (methanol và ethanol), axit (acetate), và carbohydrate (sucrose). 
 
Có nhiều loại cBOD. Chúng bao gồm các hình thức hòa tan để làm giảm một cách nhanh chóng (<7 giờ), keo và các hạt BOD, và chất béo để làm giảm từ từ.
 
Các hạt keo thì lớn,  các hợp chất phức tạp không hòa tan như protein. Hạt lớn hơn, các hợp chất phức tạp không hòa tan như cellulose hoặc tinh bột. Để cho keo và hạt cBOD bị lạo bỏ trong bể SBR, chúng trước tiên phải được hấp thụ vào các vi khuẩn và sau đó hòa tan các hợp chất đơn giản và được hấp thu bởi vi khuẩn. Sự làm giảm cBOD xảy ra bên trong tế bào vi khuẩn.
 
Chất béo bao gồm chất béo, dầu, mỡ mà không hòa tan trong nước thải. Chất béo có cấu trúc rất đơn giản có thể được hấp thụ bởi các vi khuẩn và suy thoái dần, trong khi chất béo mà rất phức tạp trong cấu trúc phải được hấp thụ bởi các vi khuẩn, khả năng hòa tan, hấp thụ, và sau đó bị suy thoái. Nói chung, chất béo làm giảm chậm hơn so với keo và hạt BOD, và ba hình thức của cBOD làm suy giảm chậm hơn cBOD hòa tan. Do đó, sự phân hủy cBOD là nhanh nhất khi số lượng và chất lượng cBOD chủ yếu là hòa tan. Sự phân hủy nhanh chóng cBOD hòa tan gây một nhu cầu trước mắt và lớn cho oxy hòa tan và các chất dinh dưỡng.
 
Khoảng 1,8 pound oxy được tiêu thụ cho mỗi pound cBOD bị phân hủy. Sự phân hủy cBOD hào tan mất khoảng 0,3 ngày MCRT.
Sự phân hủy của chất keo và các hạt cBOD mất khoảng 2 ngày MCRT, trong khi sự phân hủy các lipid phức tạp có thể mất hơn 4 ngày MCRT.
 
OXY HÓA (PHÂN HỦY) nBOD
 
Quá trình oxy hóa hoặc phân hủy nBOD là quá trình nitrat hóa. Đó là quá trình oxy hóa sinh học amoni (NH4+) thành nitrit (NO­2-) và sau đó thành nitrate (NO3-). Sau khi phân hủy đủ cBOD, nitrat hóa có thể xảy ra. Nồng độ thường được chấp nhận cho cBOD trong một quá trình bùn hoạt tính cho phép quá trình nitrat hóa là <40 mg/L.
 
Tốc độ nitrat hóa rất nhanh chóng tại các giá trị oxy hòa tan ≥2 mg/L.
 
Với nồng độ oxy hòa tan tăng cao hơn, tăng tốc quá trình nitrat hóa. Tỷ lệ tối đa của quá trình nitrat hóa xảy ra vào khoảng 3 mg/L. 
 
Tuy nhiên, quá trình nitrat hóa có thể cải thiện tại các giá trị oxy hòa tan> 3 mg/L, nếu nồng độ oxy cho phép cao hơn loại bỏ nhanh chóng cBOD trong pha phản ứng.
 
Điều này sẽ cung cấp thêm nhiều thời gian cho quá trình nitrat hóa xảy ra. Khoảng 4.6 pound oxy được tiêu thụ trên mỗi pound nBOD như amoni được chuyển hóa thành nitrat.
 
Đạm BOD gồm amoni (NH4+) và nitrit (NO2-). Amoni và ammonia được giảm  từ dạng nitơ - đó là nitơ liên kết với hydro. Amoni có trong nước thải với số lượng lớn tại các giá trị pH<9.4, trong khi amoniac có trong nước thải với số lượng lớn tại các giá trị pH≥9.4. Khi thử nghiệm và báo cáo nồng độ nitơ trong nước thải, các kỹ thuật phân tích yêu cầu độ pH của mẫu nước thải được tăng lên với một hợp chất kiềm để một giá trị> 9,4. Việc bổ sung các hợp chất kiềm chuyển amoni thành amoniac hoặc đo bằng đầu dò hoặc đưa vào khí quyển bằng hành động xáo trộn và được đo bằng đầu dò ammonia trên mực nước thải. Bằng cách kiểm tra cho amoniac, nồng độ amoni thì đo gián tiếp.
 
Nước thải sinh hoạt thường có khoảng 30 mg/L amoni.
 
Tuy nhiên, một số lượng rất lớn của amoni được sinh ra trong SBR khi các hợp chất hữu cơ bị phân hủy-nitrogen. Các hợp chất này có chứa một nhóm amino (-NH2) được sinh ra trong thời gian suy thoái của vi khuẩn hữu cơ - hợp chất nitơ. Các dạng nhóm amino sinh ra chủ yếu là amoni trong SBR tại các giá trị pH<9,4. Số lượng amoni có khả năng được sinh ra từ ​​các hợp chất hữu cơ -nitrogen thể được xác định bằng tổng số nitơ Kjeldahl thử nghiệm (TKN) và ammonia.
 
Các biện pháp kiểm tra TKN lượng amoni trong nước thải và lượng amoni có thể được sinh ra từ hữu cơ - hợp chất nitơ.
 
Vì vậy, giá trị nitơ hữu cơ của mẫu nước thải là TKN trừ đi giá trị amoni. Tổng giá trị nitơ của mẫu nước thải là TKN, nitrite, và nitrate (Hình 14.4).
 
Hình 14.4 Tổng nitơ trong nước thải. Tổng số nitơ trong nước thải bao gồm tổng nitơ Kjeldahl (TKN), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). TKN gồm amoni (NH4+) / ammonia (NH3) và nitơ hữu cơ.
 
Nitrite không gây ra nhu cầu oxy. Nó được oxy hóa thành nitrat. Nitrate không gây ra nhu cầu oxy. Nitrate hoàn toàn bị oxy hóa. Nitrit có thể vào SBR từ chất thải công nghiệp.
 
NGĂN SỰ PHÁT TRIỂN KHÔNG MONG MUỐN CỦA SINH VẬT DẠNG SỢI
 
Có bốn sinh vật dạng sợi mà sinh sôi nảy nở dưới nồng độ DO thấp. Những sinh vật này Haliscomenobacter hydrossis, Microthrix parvicella, Sphaerotilus natans và loại 1701. Sự tăng trưởng nhanh chóng của các sinh vật này là không mong muốn (Đọc thêm: Tài liệu 2.6 Sự tăng trưởng bất thường của vi sinh dạng sợi), vì chúng có thể ảnh hưởng đến quá trình lắng. Microthrix parvicella cũng có vấn đề, sinh ra bọt nâu.
 
Để ngăn chặn sự tăng trưởng không mong muốn của các sinh vật này, cần phải duy trì DO trong nhân các hạt bông. Vì vậy, khi cBOD hòa tan bị phân hủy trong SBR, cần cung cấp nhiều DO hơn. Tuy nhiên, sử dụng pha làm đầy xáo trộn (giai đoạn thiếu khí) có thể kiểm soát một số sinh vật dạng sợi (Bảng 14.1)
 
Bảng 14.1 Kiểm soát vi khuẩn dạng sợi ở nồng độ oxy hòa tan thấp trong pha làm đầy xáo trộn (giai đoạn thiếu khí)
Vi khuẩn dạng sợi   
Kiểm soát trong pha làm đầy xáo trộn
Haliscomenobacter hydrossis 
Microthrix parvicella 
Không
Sphaerotilus natans 
Type 1701  
 
Bởi vì nước thải sinh hoạt có chứa một số lượng tương đối lớn các chất béo và chất keo và các hạt BOD để làm suy giảm từ từ và không gây ra nhu cầu oxy đáng kể, sự suy giảm nước thải sinh hoạt thường không dẫn đến sự tăng trưởng không mong muốn của các sinh vật hình sợi DO thấp.
 
Tuy nhiên, hầu hết nước thải công nghiệp không chứa lượng lớn cBOD gây ra nhu cầu trước mắt và lớn cho DO. Vì vậy, SBR tiếp nhận nước thải công nghiệp cần một nồng độ DO thích hợp trong suốt pha phản ứng để ngăn chặn sự phát triển không mong muốn của các sinh vật hình sợi DO thấp.
 
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG DO THẤP
 
Ngoài sự cố thiết bị và thiết bị sục khí không đủ, có năm yếu tố hoạt động ảnh hưởng chủ yếu đến DO thấp trong bể SBR (Đọc thêm: Tài liệu 2.12 Nồng độ oxy hòa tan thấp).
 
Những yếu tố này là:
• Tác nhân tiêu thụ oxy
• Tăng tải trọng hữu cơ
• Hô hấp nội sinh
• Nitrat hóa không mong muốn
• Chuyển oxy không đủ
 
Tác nhân tiêu thụ oxy
Tác nhân tiêu thụ oxy phản ứng nhanh chóng với oxy hòa tan. Thông thường, chúng phản ứng với oxy hòa tan trước khi vi khuẩn có thể sử dụng oxy hòa tan để phân hủy BOD.
 
Có hai tác nhân chính trong bể SBR. Đó là sulfide (HS-) và sulfite (SO32-).
 
Các chất ức chế ăn mòn được sử dụng trong nồi hơi và tháp giải nhiệt và có thể được tìm thấy trong nước thải công nghiệp. Một chất ức chế ăn mòn thường được sử dụng là sodium sulfite (Na2SO3). Trong nồi hơi và tháp gải nhiệt các chất ức chế ăn mòn phản ứng với oxy hòa tan trước khi oxy hòa tan có thể phản ứng với một bề mặt kim loại và gây ăn mòn.
 
Sulfide đi vào bể SBR từ kỵ khí hay tự hoại thông qua hai con đường.
 
Đầu tiên, nhóm thiol (-SH) được sinh ra từ các axit amin và protein trong chất thải phân, khi chúng bị phân hủy bởi vi khuẩn trong màng sinh học và trầm tích trong hệ thống cống rãnh, hố ga, trạm trong điều kiện yếm khí (hình 14.5). Các nhóm thiol sinh ra ở dạng sulfide (HS-). Thứ hai, trong điều kiện yếm khí, vi khuẩn khử sulfate (SO42-) để phân huỷ cBOD [Eq. (14.1)]. Việc này dẫn đến sinh ra sulfide. Sulfate vào cống vệ sinh trong nước tiểu và nước ngầm.
 
 
Hình 14.5 Hình thành của nhóm thiol. Nhóm thiol (-SH) được tìm thấy trên các cysteine axit amin và protein có chứa các axit amin. Khi các axit amin và protein bị phân hủy, các nhóm thiol được sinh ra và các dạng hoặc sulfide (HS-) hoặc hydrogen sulfide (H2S) trong điều kiện kị khí. Tuy nhiên, các dạng lưu huỳnh này (HS- và H2S) có thể bị oxy hóa sinh học bởi vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh hoặc hóa học tạo thành sulfat (SO42-) và có thể được oxy hóa bởi sinh vật dạng sợi ưa sulfide tạo thành lưu huỳnh (S0). Sinh vật dạng sợi này bao gồm Beggiatoa spp, Thiothrix spp, và loại 021N...
 
Trong bể SBR, sulfide có thể bị oxy hóa sinh học hoặc hóa học [Eq.(14.2)] tạo thành sulfat. Quá trình oxy hóa này dẫn đến việc tiêu thụ oxy hòa tan.
 
 
Các vi sinh dạng sợi lưu huỳnh, Beggiatoa (Hình 14.6), Thiothrix, và loại 021N, loại bỏ và oxy hóa sulfide thành Sulfur (S0) để có được năng lượng. Điều này cho phép sự phát triển nhanh chóng của chúng. Tăng trưởng không mong muốn của chúng ảnh hưởng đến vấn đề lắng và phình trương.
 
 
Hình 14.6 Lưu lượng ngày đêm của nước thải. Lưu lượng nước thải đến SBR thay đổi lớn trong ngày tại nhà máy xử lý nước thải trong nước và thành phố. Điều này là do các mô hình dòng chảy ngày đêm của nước thải khu dân cư, thương mại, công nghiệp và hệ thống cống rãnh. Tải trọng thủy lực đỉnh cao nhất thường xảy ra 10am-6pm, trong khi tải thủy lực thấp nhất thường xảy ra 10 pm-06 am.
 
Tăng tải trọng hữu cơ
Sự gia tăng tải trọng cBOD (Đọc thêm: Tài liệu 2.15 Bùn xả của cBOD hòa tan), đặc biệt là cBOD hoà tan tạo nên sự gia tăng đáng kể nhu cầu oxy hòa tan. Bùn xả được xem là một lượng lớn cBOD lớn hơn gấp 2-3 lần số lượng cBOD điển hình được nhận trong thời gian 2-4h.
 
Nitrat hóa không mong muốn
Nitrat hóa không mong muốn là sự xuất hiện của quá trình nitrat hóa trong SBR mà không cần có, giới hạn xả thải an toàn amoniac hoặc nitơ tổng.
 
Thiếu oxy vận chuyển
Thiếu khả năng vận chuyển đủ số lượng oxy hòa tan cho vi khuẩn trong các hạt bông có thể là do (1) thay đổi về nhu cầu oxy ban ngày và (2) thiết bị thông gió nhỏ. Nhu cầu oxy trong ngày tăng và giảm (trong nhu cầu oxy hòa tan trong bể SBR để phân huỷ cBOD và nBOD) do các biến đổi lưu lượng và dòng chảy trong ngày (Hình 14.6).
 
2. GIẢI PHÁP
 
DO được cung cấp trong tất cả các bể bùn hoạt tính, và nó có 6 nhiệm vụ chính sau:
* Thúc đẩy quá trình tạo bông
* Đảm bảo điều kiện hiếu khí để vi sinh hô hấp
* Xử lý cBOD
* Xử lý nBOD
* Ngăn chặn sự hình thành của vi sinh dạng sợi (thường phát triển ở DO thấp)
* Hấp thu Photpho vào bông bùn
 
Bảng các hiện tượng có thể xảy ra khi DO thấp
 
Điều kiện vận hành
Sự cố
Giải pháp
Hệ thống sục khí có vấn đề 
 
 
Độc chất 
 
 
Tải trọng đầu vào cao 
 
 
Hô hấp nội bào 
 
 
Nitrate hóa không cần thiết 
 
 
Chuyển hóa oxy không phù hợp
 
 

(ecoworld)