Lò phản ứng Bùn hoạt tính (Activated Sludge Reactor)

Nguyên lý hoạt động

Nước thải sau khi qua xử lý sơ bộ được đưa vào bể Aerotank, tại đây nước thải được xáo trộn hoàn toàn với bùn hoạt tính tuần hoàn. Bùn hoạt tính là một quần thể vi sinh vật đa dạng, chủ yếu là vi khuẩn, kết cụm với nhau tạo thành các bông bùn (flocs) lơ lửng trong nước. Ngoài vi khuẩn, quần thể này còn bao gồm động vật nguyên sinh (protozoa), luân trùng (rotifer), nấm và các vi sinh vật khác. Để duy trì hoạt động sống của các vi sinh vật hiếu khí này, không khí (hoặc oxy tinh khiết) được cấp liên tục vào bể thông qua các hệ thống phân phối khí (như đĩa thổi khí, ống phân phối khí) nhằm đảm bảo hai mục đích chính:

• Cung cấp đủ lượng oxy hòa tan ($DO$) cho quá trình hô hấp của vi sinh vật.
• Duy trì trạng thái xáo trộn, giúp các bông bùn luôn ở trạng thái lơ lửng và tiếp xúc tối đa với chất hữu cơ trong nước thải.

Trong môi trường giàu oxy, vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ hòa tan (được biểu thị qua chỉ số BOD, COD) làm nguồn thức ăn (chất nền) và năng lượng để tăng trưởng, phát triển và tạo ra tế bào mới. Quá trình chuyển hóa này có thể được mô tả một cách tổng quát:

Chất hữu cơ + Vi sinh vật + $O_2$ → $CO_2$ + $H_2O$ + Tế bào mới + Năng lượng

Kết quả là các chất ô nhiễm hữu cơ được loại bỏ khỏi nước thải và chuyển hóa thành sinh khối vi sinh vật (bùn), khí cacbonic và nước, làm cho nước thải trở nên sạch hơn. Hỗn hợp nước và bùn sau đó sẽ được dẫn sang bể lắng để tách riêng hai pha.

Các giai đoạn chính trong một hệ thống bùn hoạt tính

Một hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính truyền thống bao gồm các đơn vị công nghệ cốt lõi sau:

1. Bể Aerotank (Bể phản ứng): Đây là trái tim của hệ thống. Tại đây, nước thải đã qua xử lý sơ bộ được hòa trộn với bùn hoạt tính tuần hoàn từ bể lắng. Hệ thống sục khí (như đĩa thổi khí mịn, máy khuấy bề mặt) hoạt động liên tục để cung cấp oxy và duy trì trạng thái xáo trộn. Trong môi trường này, hai quá trình diễn ra đồng thời: vi sinh vật hấp thụ chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng từ nước thải, và sử dụng oxy để phân hủy các chất này thông qua quá trình hô hấp hiếu khí, từ đó tạo ra năng lượng, sản sinh tế bào mới và các sản phẩm phụ như $CO_2$ và nước.
2. Bể lắng thứ cấp (Bể lắng II): Hỗn hợp bùn và nước (gọi là hỗn hợp lỏng MLSS – Mixed Liquor Suspended Solids) từ bể Aerotank chảy sang bể lắng thứ cấp. Nhờ môi trường tĩnh và tác dụng của trọng lực, các bông bùn hoạt tính có tỷ trọng lớn hơn nước sẽ lắng xuống đáy bể. Phần nước trong đã được xử lý ở phía trên sẽ chảy qua máng thu và được xả ra môi trường hoặc chuyển sang công đoạn xử lý tiếp theo. Hiệu quả của bể lắng quyết định trực tiếp đến chất lượng nước đầu ra và sự ổn định của toàn hệ thống.
3. Hệ thống tuần hoàn và xả bùn: Bùn hoạt tính lắng dưới đáy bể lắng được chia làm hai dòng:
   • Dòng bùn tuần hoàn (Return Activated Sludge – RAS): Một phần lớn bùn (thường từ 50% đến 150% lưu lượng đầu vào) được bơm ngược trở lại bể Aerotank. Mục đích của việc tuần hoàn bùn là để duy trì mật độ vi sinh vật (nồng độ MLSS) đủ cao trong bể phản ứng, đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định ngay cả khi nồng độ chất hữu cơ đầu vào biến động.
   • Dòng bùn thải (Waste Activated Sludge – WAS): Do vi sinh vật liên tục phát triển, một lượng bùn dư sẽ được tạo ra. Phần bùn dư này phải được loại bỏ định kỳ khỏi hệ thống để kiểm soát tuổi bùn (SRT). Đây chính là bùn thải cần được xử lý tiếp (ví dụ: cô đặc, ổn định, làm khô) trước khi thải bỏ cuối cùng.

Các yếu tố vận hành và thông số kiểm soát quan trọng

Hiệu quả của quá trình bùn hoạt tính phụ thuộc chặt chẽ vào việc kiểm soát các thông số vận hành. Các yếu tố chính bao gồm:

• Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate – OLR): Là lượng chất hữu cơ (tính theo kg BOD hoặc COD) được đưa vào một mét khối thể tích bể phản ứng trong một ngày ($kg \ BOD/m^3 \cdot day$). Tải trọng quá cao có thể gây quá tải, thiếu hụt oxy và làm suy giảm hiệu quả xử lý.
• Tỷ lệ F/M (Food to Microorganism ratio): Là tỷ số giữa lượng thức ăn (chất hữu cơ) cung cấp hàng ngày và tổng lượng vi sinh vật có trong bể Aerotank. Đây là thông số thiết kế và vận hành quan trọng, ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật và khả năng lắng của bùn.
• Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time – HRT): Là thời gian trung bình mà một phân tử nước lưu lại trong bể Aerotank, được tính bằng công thức $HRT = V/Q$ (V là thể tích bể, Q là lưu lượng nước thải). HRT phải đủ dài để vi sinh vật có thời gian phân hủy chất ô nhiễm.
• Thời gian lưu bùn (Sludge Retention Time – SRT) hay Tuổi bùn: Là thời gian lưu trung bình của một hạt bùn (vi sinh vật) trong hệ thống. Đây là thông số vận hành quan trọng nhất, quyết định đến cấu trúc quần thể vi sinh vật và khả năng xử lý các chất ô nhiễm đặc thù (ví dụ, quá trình nitrat hóa đòi hỏi SRT dài). SRT được kiểm soát bằng cách điều chỉnh lưu lượng bùn thải (WAS).
• Nồng độ oxy hòa tan (DO): Nồng độ DO trong bể Aerotank phải được duy trì ở mức tối ưu (thường từ 1.5 – 2.5 mg/L) để đảm bảo hoạt động hiếu khí của vi sinh vật và tránh trở thành yếu tố giới hạn của quá trình.
• Nhiệt độ, pH và dinh dưỡng: Vi sinh vật hoạt động hiệu quả nhất trong một khoảng pH (thường là 6.5 – 8.5) và nhiệt độ nhất định. Ngoài ra, tỷ lệ dinh dưỡng giữa Cacbon, Nitơ và Photpho (thường theo tỷ lệ BOD:N:P ≈ 100:5:1) phải được đảm bảo để vi sinh vật phát triển khỏe mạnh và hình thành bông bùn có khả năng lắng tốt.
• Sự hiện diện của chất độc: Các chất như kim loại nặng, cyanide, phenol, hoặc sự thay đổi đột ngột về pH có thể gây độc, ức chế hoặc giết chết quần thể vi sinh vật, dẫn đến hỏng toàn bộ hệ thống.

Ưu và nhược điểm

Ưu điểm:

• Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (BOD, COD) rất cao, có thể đạt trên 90-95%.
• Công nghệ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, độ tin cậy cao, đã được kiểm chứng qua thời gian.
• Chi phí đầu tư và vận hành hợp lý so với hiệu quả mang lại, đặc biệt đối với các nhà máy xử lý quy mô lớn.
• Có khả năng loại bỏ cả Nitơ và Photpho thông qua các cải tiến và cấu hình bể khác nhau (như quy trình A/O, A2/O, SBR).

Nhược điểm:

• Yêu cầu diện tích xây dựng lớn: Do hoạt động ở nồng độ sinh khối (MLSS) tương đối thấp và cần có bể lắng thứ cấp riêng biệt, các hệ thống bùn hoạt tính truyền thống thường chiếm nhiều diện tích đất.
• Sản sinh lượng bùn dư lớn: Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thành sinh khối tạo ra một lượng lớn bùn thải (WAS), đòi hỏi chi phí đáng kể cho các công đoạn xử lý tiếp theo như cô đặc, ổn định, làm khô và thải bỏ cuối cùng.
• Nhạy cảm với sự biến động của tải trọng: Hệ thống có thể bị “sốc tải” (shock loading) khi có sự thay đổi đột ngột về lưu lượng, thành phần nước thải (pH, nhiệt độ) hoặc sự xuất hiện của các chất độc hại, làm suy giảm hiệu quả xử lý và có thể mất nhiều thời gian để phục hồi.
• Các sự cố vận hành phức tạp: Dễ gặp các vấn đề như bùn trương (sludge bulking) do vi khuẩn dạng sợi phát triển quá mức, hoặc bùn nổi (sludge rising) do quá trình khử nitrat trong bể lắng, gây khó khăn cho việc tách bùn và làm giảm chất lượng nước đầu ra.

Các biến thể và cải tiến của quy trình bùn hoạt tính

Để khắc phục các nhược điểm của quy trình truyền thống và đáp ứng các yêu cầu xử lý ngày càng nghiêm ngặt, nhiều biến thể đã được phát triển:

• Bể phản ứng hoạt động theo mẻ (Sequencing Batch Reactor – SBR): Đây là một biến thể trong đó tất cả các quá trình chính (Làm đầy – Phản ứng sục khí – Lắng – Chắt nước – Chờ) đều diễn ra tuần tự theo thời gian trong cùng một bể duy nhất. Hệ thống SBR linh hoạt, nhỏ gọn do không cần bể lắng thứ cấp và hệ thống tuần hoàn bùn riêng biệt.
• Bể lọc sinh học màng (Membrane Bioreactor – MBR): Công nghệ này là sự kết hợp giữa quá trình xử lý sinh học bùn hoạt tính và công nghệ lọc màng (vi lọc hoặc siêu lọc). Màng lọc thay thế hoàn toàn cho bể lắng thứ cấp, giúp tách triệt để bùn ra khỏi nước.
  • Ưu điểm của MBR: Chất lượng nước đầu ra vượt trội (có thể tái sử dụng), loại bỏ được bể lắng nên tiết kiệm diện tích đáng kể, cho phép vận hành ở nồng độ bùn (MLSS) rất cao (8,000-15,000 mg/L) giúp tăng hiệu quả và giảm thể tích bể phản ứng, kiểm soát độc lập SRT và HRT.
  • Nhược điểm của MBR: Chi phí đầu tư và vận hành cao hơn do chi phí màng và năng lượng cho việc hút/thổi rửa màng, yêu cầu vận hành phức tạp hơn và phải đối mặt với nguy cơ tắc nghẽn màng.
• Quy trình loại bỏ Nitơ và Photpho (A/O, A2/O): Để loại bỏ các chất dinh dưỡng, hệ thống được thiết kế với các ngăn kỵ khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic) và hiếu khí (Oxic) nối tiếp nhau.
  • Loại bỏ Nitơ (Quá trình Nitrat hóa/Khử Nitrat): Trong ngăn hiếu khí (Oxic), amoni ($NH_4^+$) được oxy hóa thành nitrat ($NO_3^-$). Sau đó, dòng tuần hoàn nội bộ đưa nitrat về ngăn thiếu khí (Anoxic), tại đây vi khuẩn khử nitrat sẽ chuyển hóa $NO_3^-$ thành khí Nitơ ($N_2$) và thoát ra ngoài.
  • Loại bỏ Photpho (Biological Phosphorus Removal): Quy trình yêu cầu có thêm ngăn kỵ khí (Anaerobic) đặt trước cùng. Tại đây, vi khuẩn tích lũy polyphosphate (PAOs) giải phóng photphat ($PO_4^{3-}$) vào dung dịch. Khi di chuyển đến ngăn hiếu khí, chúng sẽ hấp thụ lại lượng photphat lớn hơn nhiều so với lượng đã giải phóng, tích lũy trong tế bào. Photpho sau đó được loại bỏ khỏi hệ thống thông qua việc xả bùn dư.

Động học và Mô hình hóa quá trình

Động học sinh trưởng và tiêu thụ cơ chất

Hoạt động của vi sinh vật trong bể ASR thường được mô tả bằng các mô hình động học. Nổi tiếng nhất là phương trình Monod, mô tả mối quan hệ giữa tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật và nồng độ cơ chất (chất ô nhiễm):

$\mu = \mu_{max} \frac{S}{K_s + S}$

Trong đó:

• $\mu$: Tốc độ tăng trưởng riêng của vi sinh vật ($ngày^{-1}$).
• $\mu_{max}$: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại ($ngày^{-1}$).
• $S$: Nồng độ cơ chất giới hạn (ví dụ: BOD, COD) trong dung dịch ($mg/L$).
• $K_s$: Hằng số bán bão hòa, là nồng độ cơ chất mà tại đó $\mu = 0.5 \mu_{max}$ ($mg/L$).

Từ đó, tốc độ tiêu thụ cơ chất ($r_{su}$) được xác định qua mối liên hệ với tốc độ sinh trưởng và nồng độ sinh khối:

$r_{su} = – \frac{\mu \cdot X}{Y} = -\frac{\mu_{max} \cdot S \cdot X}{Y(K_s + S)}$

Trong đó:

• $r_{su}$: Tốc độ tiêu thụ cơ chất trên một đơn vị thể tích ($mg/L \cdot ngày$). Dấu âm thể hiện nồng độ cơ chất giảm đi.
• $X$: Nồng độ sinh khối vi sinh vật (thường là MLVSS) ($mg/L$).
• $Y$: Hệ số sản lượng sinh khối (Yield Coefficient), là lượng sinh khối được tạo ra trên một đơn vị cơ chất bị tiêu thụ ($mg \ X/mg \ S$). Thông số này rất quan trọng vì nó quyết định lượng bùn dư được tạo ra. Đối với xử lý hiếu khí nước thải sinh hoạt, giá trị $Y$ điển hình nằm trong khoảng 0.4 – 0.6 mg MLVSS/mg BOD5.

Mô hình hóa toán học

Để mô phỏng và dự báo chính xác hơn hoạt động của hệ thống, các mô hình toán học phức tạp đã được phát triển. Các mô hình bùn hoạt tính (Activated Sludge Models – ASM) như ASM1, ASM2, ASM2d và ASM3 là những công cụ mạnh mẽ được cộng đồng khoa học quốc tế công nhận. Các mô hình này xem xét nhiều thành phần (COD phân hủy nhanh, COD phân hủy chậm, amoni, nitrat, photphat…) và nhiều quá trình sinh học khác nhau (sinh trưởng hiếu khí, thiếu khí, phân hủy nội bào, nitrat hóa, khử nitrat, loại bỏ photpho sinh học…) để mô phỏng hoạt động của ASR một cách chi tiết, hỗ trợ cho việc thiết kế, tối ưu hóa và khắc phục sự cố.

Nguyên tắc thiết kế cơ bản

Việc thiết kế một hệ thống bùn hoạt tính bao gồm một chuỗi các bước tính toán logic để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đạt được chất lượng nước đầu ra mong muốn. Quy trình thiết kế điển hình bao gồm:

1. Xác định các thông số đầu vào: Thu thập dữ liệu về lưu lượng (trung bình, cực đại) và đặc tính của nước thải (nồng độ BOD, COD, TSS, TKN, TP…).
2. Lựa chọn các thông số thiết kế: Dựa trên yêu cầu xử lý, các thông số vận hành then chốt như Tuổi bùn (SRT) được lựa chọn. SRT là thông số quan trọng nhất vì nó quyết định quần thể vi sinh vật sẽ tồn tại trong hệ thống và khả năng xử lý nitơ.
3. Tính toán thể tích bể phản ứng: Dựa trên SRT đã chọn, nồng độ sinh khối mong muốn (MLSS) và các thông số động học, thể tích bể Aerotank ($V$) được tính toán để đảm bảo thời gian lưu nước (HRT) đủ cho các quá trình sinh học diễn ra.
4. Tính toán lượng oxy cần thiết: Lượng oxy yêu cầu (Oxygen Requirement) được tính toán dựa trên lượng COD cần được oxy hóa và lượng oxy cần cho quá trình hô hấp nội bào của vi sinh vật. Từ đó, lựa chọn và thiết kế hệ thống phân phối khí (máy thổi khí, đĩa/ống thổi khí).
5. Tính toán lượng bùn sản sinh và tuần hoàn: Tính toán lượng bùn thải hàng ngày (WAS) để duy trì SRT mong muốn và tính toán lưu lượng bùn tuần hoàn (RAS) để duy trì nồng độ MLSS trong bể Aerotank.
6. Thiết kế bể lắng thứ cấp: Kích thước bể lắng được thiết kế dựa trên tải trọng bề mặt và tải trọng chất rắn để đảm bảo bùn lắng hiệu quả.

Ứng dụng

Nhờ hiệu quả và tính linh hoạt, quy trình bùn hoạt tính và các biến thể của nó được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong việc xử lý:

• Nước thải sinh hoạt từ các khu đô thị, khu dân cư, các tòa nhà thương mại.
• Nước thải công nghiệp từ rất nhiều ngành sản xuất có chứa chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như: chế biến thực phẩm và đồ uống, sản xuất giấy và bột giấy, dệt may, hóa chất, dược phẩm…