Hệ thống xử lý nước thải sinh học đóng vai trò then chốt trong việc đáp ứng các quy định môi trường nghiêm ngặt hiện nay. Trong đó, việc triển khai thành công cách nuôi vi sinh bể hiếu khí là yếu tố quyết định hiệu suất làm sạch nước. Vi sinh vật hiếu khí sử dụng các chất ô nhiễm hữu cơ làm nguồn thức ăn, từ đó làm giảm BOD và COD một cách tự nhiên và bền vững. Việc tạo ra một quần thể sinh khối vi sinh vật khỏe mạnh, tạo thành bùn hoạt tính hiếu khí chất lượng cao, là thách thức kỹ thuật đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các điều kiện môi trường. Bài viết này sẽ cung cấp hướng dẫn chi tiết từ khâu chuẩn bị đến quy trình vận hành, giúp tối ưu hóa hệ thống Aerotank và toàn bộ quá trình xử lý nước thải sinh học.
Hiểu Rõ Về Vi Sinh Hiếu Khí Và Tầm Quan Trọng Trong Xử Lý Nước
Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học hiếu khí đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp nhờ tính thân thiện với môi trường và hiệu quả kinh tế. Hiểu rõ bản chất của các tác nhân sinh học này là nền tảng trước khi đi sâu vào quy trình nuôi cấy.
Vi Sinh Hiếu Khí Là Gì Và Cơ Chế Hoạt Động
Vi sinh hiếu khí là một quần thể đa dạng các vi sinh vật. Chúng chủ yếu là các vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh. Các vi khuẩn này cần oxy hòa tan (DO) để tồn tại và phát triển. Oxy đóng vai trò là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuỗi hô hấp tế bào. Chúng phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong nước thải thành các sản phẩm đơn giản. Các sản phẩm cuối cùng bao gồm carbon dioxide, nước, và sinh khối mới của vi sinh vật.
Quá trình này không chỉ làm giảm các chất ô nhiễm. Nó còn tạo ra năng lượng cho sự tăng trưởng và nhân lên của hệ vi sinh. Duy trì nồng độ DO lý tưởng (thường là 2 – 4 mg/L) là bắt buộc. Điều này đảm bảo hiệu suất phân hủy tối đa. Nếu DO quá thấp, vi sinh vật sẽ chuyển sang hô hấp yếm khí, gây giảm hiệu suất và phát sinh mùi khó chịu.
Vai Trò Của Bùn Hoạt Tính Trong Xử Lý Nước Thải
Bùn hoạt tính là thuật ngữ chỉ các hạt bông cặn. Chúng được hình thành do sự kết tụ của các vi sinh vật hiếu khí. Bùn hoạt tính đóng vai trò là cốt lõi của quá trình xử lý. Các chất ô nhiễm hữu cơ sẽ được hấp thụ lên bề mặt bùn. Sau đó chúng sẽ bị phân hủy bởi các vi khuẩn bên trong.
Đặc điểm của bùn hoạt tính khỏe là có màu nâu sẫm, dễ dàng lắng đọng. Khả năng lắng tốt giúp tách bùn ra khỏi nước sạch sau xử lý. Bùn được tuần hoàn trở lại bể Aerotank. Điều này giúp duy trì nồng độ vi sinh vật cần thiết, gọi là MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids). Nồng độ MLSS là chỉ số quan trọng nhất. Nó quyết định khả năng xử lý tải trọng ô nhiễm của toàn bộ hệ thống.
Quần thể vi sinh vật hiếu khí dưới kính hiển vi sau khi áp dụng cách nuôi vi sinh bể hiếu khí thành công
Chuẩn Bị Toàn Diện Cho Quá Trình Nuôi Cấy Vi Sinh Bể Hiếu Khí
Trước khi đưa bùn vi sinh vào hệ thống, việc kiểm tra và chuẩn bị các điều kiện nền tảng là không thể thiếu. Sự thành công của việc nuôi cấy phụ thuộc lớn vào việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường ban đầu.
Kiểm Tra Các Thông Số Đầu Vào Cần Thiết
Vi sinh vật hiếu khí rất nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường. Các thông số đầu vào cần được kiểm soát nghiêm ngặt trước khi cấy bùn. Việc này nhằm ngăn ngừa hiện tượng sốc tải hoặc ức chế vi sinh vật.
Độ pH lý tưởng cho vi sinh hiếu khí là từ 6.5 đến 8.5. Nếu pH quá thấp (axit) hoặc quá cao (kiềm), hoạt động của enzyme vi sinh sẽ bị đình trệ. Nhiệt độ tối ưu thường nằm trong khoảng 20°C đến 35°C. Nhiệt độ quá cao có thể làm chết vi sinh vật.
Nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ (BOD/COD) cần được pha loãng. Đặc biệt đối với nước thải công nghiệp có nồng độ cao. Ban đầu, BOD không nên vượt quá giới hạn thiết kế quá nhiều. Điều này đảm bảo vi sinh vật có thời gian thích nghi và tăng trưởng. Nồng độ oxy hòa tan (DO) phải được kiểm soát liên tục. Đảm bảo DO luôn duy trì ở mức 2.0 mg/L trở lên trong quá trình khởi động.
Tính Toán Lượng Bùn Vi Sinh Khởi Điểm
Nồng độ bùn ban đầu là yếu tố quan trọng quyết định thời gian nuôi cấy. Lượng bùn cần cấy vào thường được tính toán theo tỷ lệ phần trăm. Nó dựa trên tổng nồng độ MLSS cần thiết cho hệ thống khi hoạt động ổn định.
Thông thường, nồng độ bùn cấy vào khoảng 10% đến 15% tổng MLSS mục tiêu. Ví dụ, nếu MLSS mục tiêu là 3000 mg/L, ta sẽ cấy khoảng 300 – 450 mg/L bùn ban đầu. Nguồn bùn tốt nhất là bùn hoạt tính khỏe mạnh từ một hệ thống đang vận hành ổn định. Lượng bùn được đo bằng chỉ số SV30 (Sludge Volume Index 30 phút). SV30 ban đầu thường đạt từ 15% đến 20%.
Cân Đối Dinh Dưỡng Cho Sự Phát Triển Của Vi Sinh Vật
Vi sinh vật cần các chất dinh dưỡng đa lượng để xây dựng tế bào mới. Các chất này bao gồm Carbon, Nitơ, và Phốt pho (C:N:P). Tỷ lệ lý tưởng giữa BOD5 (nguồn Carbon) và Nitơ (N) và Phốt pho (P) là 100:5:1.
Nếu nước thải đầu vào thiếu Nitơ hoặc Phốt pho, cần bổ sung dưỡng chất. Các nguồn bổ sung phổ biến là Urea (cho Nitơ) hoặc các hợp chất Lân (cho Phốt pho). Trong giai đoạn khởi động, việc bổ sung thêm nguồn Carbon dễ tiêu hóa là cần thiết. Ví dụ như mật rỉ đường, glucose hoặc methanol. Điều này giúp kích thích sự tăng trưởng nhanh chóng của vi khuẩn dị dưỡng.
Kỹ sư kiểm tra các thông số kỹ thuật (pH, DO) trong bể Aerotank trước khi thực hiện nuôi cấy vi sinh bể hiếu khí
Hướng Dẫn Chi Tiết Cách Nuôi Vi Sinh Bể Hiếu Khí
Quy trình nuôi cấy vi sinh bể hiếu khí hiệu quả thường kéo dài từ 7 đến 30 ngày. Điều này tùy thuộc vào tải lượng nước thải và chất lượng bùn cấy ban đầu. Quy trình này được chia thành các giai đoạn cụ thể nhằm kiểm soát tốc độ tăng trưởng.
Giai Đoạn 1: Cấy Bùn Khởi Động (Ngày 1-2)
Thiết lập ban đầu
Trong ngày đầu tiên, tiến hành bổ sung lượng bùn vi sinh đã tính toán vào bể Aerotank. Nồng độ bùn khởi động nên duy trì ở mức thấp, khoảng 10% MLSS mục tiêu. Đồng thời, bổ sung men vi sinh chuyên dụng nếu nguồn bùn hoạt tính không đủ. Các chủng vi sinh đã được chọn lọc giúp rút ngắn thời gian thích nghi.
Bắt đầu cấp nước thải vào bể với lưu lượng rất thấp, chỉ khoảng 20-30% thể tích bể. Nước thải nên được pha loãng nếu nồng độ ô nhiễm cao. Bật hệ thống sục khí liên tục. Sục khí giúp phân tán bùn đều khắp bể và cung cấp oxy cần thiết.
Kiểm tra các thông số cơ bản
Tiến hành kiểm tra các thông số quan trọng như pH, nhiệt độ, và DO. Đặc biệt, theo dõi khả năng tạo bông và lắng của bùn sau 30 phút (SV30). SV30 cần đạt mức ổn định từ 15% đến 20% trong giai đoạn này. Nếu bùn chưa lắng hoặc lắng quá chậm, cần kiểm tra lại cường độ sục khí. Đồng thời kiểm tra sự hiện diện của các chất ức chế trong nước thải đầu vào.
Giai Đoạn 2: Kích Thích Tăng Trưởng Sinh Khối (Ngày 2-4)
Tăng cường cấp nước và dinh dưỡng
Từ ngày thứ hai và thứ ba, tăng dần lượng nước thải cấp vào bể. Lưu lượng có thể đạt 50% đến 70% thể tích bể, dần dần thay thế nước sạch hoặc nước pha loãng. Đây là giai đoạn quan trọng để vi sinh vật nhân lên.
Bổ sung thêm dưỡng chất dạng dễ tiêu hóa. Mật rỉ đường hoặc methanol là lựa chọn tốt cho việc tăng sinh khối nhanh chóng. Liều lượng thường là 0.2 kg mật rỉ cho mỗi mét khối nước thải cấp vào. Nếu nước thải thiếu Nitơ/Phốt pho, tiến hành bổ sung Ure hoặc Lân.
Theo dõi MLSS và SV30
Sục khí phải được duy trì liên tục và đều khắp bể. Cuối ngày thứ 4, nồng độ MLSS trong bể cần có dấu hiệu tăng rõ rệt. MLSS nên đạt khoảng 10% đến 30% nồng độ mục tiêu. Nếu nồng độ bùn tăng chậm, cần tiếp tục bổ sung dinh dưỡng và kéo dài giai đoạn 2 thêm 2-3 ngày. Sự chậm trễ này thường do tải lượng thức ăn (F/M ratio) quá thấp hoặc do thiếu vi chất dinh dưỡng.
Các loại men vi sinh chuyên dụng dùng để bổ sung sinh khối và tăng cường hoạt động của bùn hoạt tính hiếu khí
Giai Đoạn 3: Thử Tải Và Tuần Hoàn Bùn (Ngày 5-7)
Tăng công suất và tuần hoàn bùn
Từ ngày thứ 5 trở đi, tăng công suất cấp nước thải lên 30% đến 40% công suất thiết kế. Bắt đầu bật bơm bùn tuần hoàn từ bể lắng sinh học về bể Aerotank. Tuần hoàn bùn là bước then chốt. Nó giúp duy trì mật độ vi sinh vật cao trong bể phản ứng.
Việc tuần hoàn bùn cũng giúp vận chuyển các vi sinh vật mới được sản sinh. Chúng sẽ quay trở lại bể hiếu khí để tiếp tục phân hủy chất ô nhiễm. Điều này tối ưu hóa hiệu quả xử lý. Trong giai đoạn này, MLSS nên đạt 15% đến 30%. Nếu cần, tiếp tục bổ sung lượng nhỏ dưỡng chất.
Vận hành đạt công suất thiết kế
Đến ngày thứ 7, hệ thống có thể được vận hành ở 80% công suất thiết kế. Bùn hoạt tính nên được chuyển đều qua các cụm bể sinh học (nếu có bể thiếu khí hoặc kỵ khí). Việc này đảm bảo hệ vi sinh đồng bộ trên toàn tuyến xử lý. Tiếp tục theo dõi nồng độ bùn và đảm bảo khả năng lắng tốt. Sau 7 ngày, hệ vi sinh đã hình thành đủ độ ổn định ban đầu. Nó có thể bắt đầu xử lý tải trọng ô nhiễm lớn hơn.
Tối Ưu Hóa Và Vận Hành Ổn Định Hệ Vi Sinh
Sau giai đoạn nuôi cấy ban đầu, việc duy trì các điều kiện môi trường lý tưởng là cần thiết. Mục tiêu là để hệ vi sinh hoạt động ổn định và đạt hiệu suất xử lý cao nhất.
Duy Trì Tỷ Lệ Dinh Dưỡng BOD5:N:P Chuẩn Mực
Tỷ lệ F/M (Food to Microorganism ratio) là một chỉ số quan trọng. Nó thể hiện mối quan hệ giữa tải lượng thức ăn hữu cơ và khối lượng vi sinh vật. Tỷ lệ F/M phải được kiểm soát để tránh hiện tượng sốc tải.
Song song đó, việc duy trì tỷ lệ BOD:N:P = 100:5:1 là bắt buộc. Nếu nồng độ Nitơ và Phốt pho trong nước thải tự nhiên không đủ, phải bổ sung liên tục. Sự thiếu hụt các chất này sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật. Nó dẫn đến hiện tượng bùn kém lắng hoặc làm giảm hiệu suất loại bỏ BOD/COD. Quá trình nitrat hóa (chuyển đổi amoni thành nitrat) cũng cần đủ dinh dưỡng.
Quản Lý Nồng Độ Oxy Hòa Tan (DO)
Nồng độ DO ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động. DO quá thấp sẽ ức chế hoạt động hiếu khí. Nó tạo điều kiện cho vi khuẩn dạng sợi phát triển. Ngược lại, DO quá cao sẽ lãng phí năng lượng sục khí.
Cần sử dụng các cảm biến DO và hệ thống điều khiển tự động. Điều này giúp duy trì DO trong khoảng 2.0 – 4.0 mg/L. Kiểm soát DO cũng giúp tiết kiệm điện năng vận hành bơm sục khí. Sự phân bố khí phải đồng đều khắp bể. Điều này tránh tạo ra các vùng chết (dead zones) nơi bùn có thể lắng xuống.
Kiểm Soát Thông Số Bùn Vi Sinh (SVI, SV30)
Nồng độ MLSS (hàm lượng bùn hoạt tính lơ lửng) phải được duy trì. Mức lý tưởng thường dao động từ 2000 đến 4000 mg/L. Điều này tùy thuộc vào loại công nghệ và tải trọng nước thải. MLSS quá thấp sẽ làm giảm khả năng xử lý. MLSS quá cao có thể gây hiện tượng tràn bùn.
SV30 (thể tích bùn lắng sau 30 phút) là chỉ số cơ bản để đánh giá khả năng lắng. Bùn hoạt tính tốt có SV30 ổn định. SVI (Sludge Volume Index) là chỉ số tiên tiến hơn. SVI lý tưởng nằm trong khoảng 50 – 150 mL/g. SVI cao (trên 200 mL/g) cho thấy bùn lắng kém. Nó thường báo hiệu sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi (bulking sludge).
Thực hiện kiểm tra nồng độ MLSS để xác định mật độ vi sinh hiếu khí trong quá trình vận hành hệ thống
Xử Lý Sự Cố Thường Gặp Trong Bể Vi Sinh Hiếu Khí
Trong quá trình vận hành, hệ thống vi sinh có thể gặp phải nhiều sự cố. Các vấn đề này cần được phát hiện và xử lý kịp thời. Điều này giúp ngăn ngừa sự suy giảm hiệu suất nghiêm trọng.
Xử Lý Hiện Tượng Nồng Độ Bùn Thấp Hoặc Cao
Nồng độ vi sinh thấp (MLSS < 5%)
Nồng độ bùn thấp là dấu hiệu của sự thất thoát hoặc vi sinh vật bị ức chế. Nguyên nhân phổ biến bao gồm bùn bị lắng cục bộ dưới đáy bể do sục khí không đều. Hoặc do bơm bùn tuần hoàn hoạt động sai chức năng.
Cần kiểm tra lại hệ thống sục khí. Sử dụng sục khí di động để khuấy đều các góc chết trong 2-4 ngày. Nếu bùn bị thất thoát ra ngoài (bể thấm hoặc xả bùn dư quá nhiều), cần điều chỉnh lưu lượng xả. Nếu nguyên nhân là do lượng bùn cấy không đủ, cần kéo dài thời gian nuôi cấy. Đồng thời bổ sung thêm nguồn dưỡng chất để thúc đẩy tăng trưởng.
Nồng độ vi sinh cao (MLSS > 50%)
Nồng độ bùn quá cao cho thấy tốc độ tăng trưởng vi sinh vật vượt quá mức cần thiết. Điều này thường do việc bổ sung dưỡng chất (như mật rỉ, cám gạo) quá liều lượng. Bùn dư thừa có thể gây khó khăn trong việc lắng và tuần hoàn.
Để khắc phục, giảm ngay lượng dưỡng chất cấp vào hệ thống. Tăng cường xả bùn dư từ bể lắng về khu chứa bùn. Đảm bảo bơm bùn tuần hoàn hoạt động hiệu quả. Nó giúp phân tán đều bùn giữa các cụm bể sinh học.
Các Loại Bọt Và Cách Khắc Phục
Sự xuất hiện của bọt trên bề mặt bể Aerotank thường là tín hiệu bất thường. Màu sắc và độ bền của bọt cung cấp thông tin về tình trạng sức khỏe vi sinh.
Bọt trắng tan nhanh
Bọt trắng, có khả năng tan nhanh, thường xuất hiện khi hệ thống hoạt động ở công suất thấp. Hoặc khi nồng độ chất ô nhiễm (thức ăn) trong nước thải còn ít. Đây là hiện tượng thường thấy trong giai đoạn đầu nuôi cấy. Nếu bọt kèm theo SV30 ở mức 15-30% là phù hợp. Nếu bọt kéo dài và nồng độ bùn thấp, cần bổ sung thêm dưỡng chất để tăng tốc độ tăng trưởng sinh khối.
Bọt nâu tan chậm
Bọt có màu nâu sẫm, tan chậm thường báo hiệu vi sinh vật đang bị thiếu dưỡng chất kéo dài. Hoặc hệ thống đã ngưng cấp nước thải trong thời gian dài. Tình trạng này khiến vi sinh vật bị “già” đi. Cần kiểm tra lại nồng độ bùn (SV30). Nếu thấp, phải bổ sung ngay các chất dinh dưỡng cần thiết như BOD, Nitơ và Phốt pho.
Bọt trắng/nâu kèm đốm đen, tan chậm
Đây là dấu hiệu nghiêm trọng. Nó cho thấy vi sinh vật đang bị sốc tải. Nguyên nhân có thể do nồng độ COD, TN (Total Nitrogen) trong nước thải đầu vào tăng đột ngột. Hoặc bùn vi sinh đã quá “già”.
Cần đo ngay pH trong bể. Nếu pH không tăng, giảm ngay lưu lượng nước thải cấp vào và pha loãng nồng độ chất ô nhiễm. Nếu pH tăng cao, đó là dấu hiệu vi sinh vật đang bị chết hàng loạt. Cần giảm tải lượng nước thải và duy trì MLSS ở mức 30% – 50%. Xả bùn dư (nếu bùn quá nhiều) để tạo không gian cho vi sinh vật mới phát triển.
Xử Lý Hiện Tượng Bùn Lắng Kém (Bulking Sludge)
Bùn lắng kém (bulking) xảy ra khi bùn hoạt tính không kết tụ thành các hạt bông cặn chắc. Nó gây ra chỉ số SVI tăng cao (trên 150 mL/g). Hiện tượng này chủ yếu do sự phát triển quá mức của vi khuẩn dạng sợi (filamentous bacteria).
Nguyên nhân thường do tỷ lệ F/M quá thấp, DO quá thấp, hoặc thiếu hụt chất dinh dưỡng. Để xử lý, cần điều chỉnh tỷ lệ F/M bằng cách tăng tải lượng thức ăn nếu nó quá thấp. Tăng cường sục khí để đảm bảo DO > 2.0 mg/L ở mọi điểm trong bể. Trong các trường hợp nghiêm trọng, có thể sử dụng hóa chất (như clo) với liều lượng cực thấp để kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, nhưng phải hết sức thận trọng để tránh làm chết vi sinh vật có lợi.
Việc hiểu và kiểm soát chặt chẽ các thông số môi trường là chìa khóa. Nó giúp hệ thống xử lý nước thải sinh học đạt hiệu suất cao và ổn định. Kiểm soát tốt cách nuôi vi sinh bể hiếu khí đảm bảo sự bền vững của hệ thống.
Việc vận hành hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm thực tiễn. Nền tảng của sự thành công là việc áp dụng đúng cách nuôi vi sinh bể hiếu khí ngay từ đầu và duy trì các điều kiện môi trường lý tưởng (pH, DO, dinh dưỡng). Bằng cách kiểm soát chặt chẽ các chỉ số quan trọng như MLSS, SV30, và tỷ lệ F/M, người vận hành có thể đảm bảo bùn hoạt tính luôn khỏe mạnh và có khả năng lắng tốt. Việc theo dõi sát sao và kịp thời xử lý các sự cố phát sinh (như hiện tượng bùn lắng kém hay tạo bọt bất thường) sẽ giúp duy trì hiệu suất làm sạch nước thải ở mức cao nhất, góp phần bảo vệ môi trường một cách hiệu quả và bền vững.
Ngày Cập Nhật lần cuối: 06/11/2025 by nguyen jun
