Chương 7: Phương Pháp Luận Mô Tả Quá Trình Phát Triển Công Nghệ Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Khám phá phương pháp luận mô tả quá trình phát triển công nghệ xử lý nước thải bằng sinh học trong chương 7, nâng cao hiệu quả và bền vững.

• Người hướng dẫn: Ks. Huỳnh Mạnh Phúc
• Trường học: Công Ty TNHH Thiết Bị Và Công Nghệ Môi Trường Không Gian Xanh
• Chuyên ngành: Xử Lý Nước Thải
• Đề tài: Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học: Hướng Dẫn Chi Tiết
• Loại tài liệu: Tài Liệu Hướng Dẫn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 7. CHƯƠNG 7: OVERVIEW OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT
• 7.1. Objectives of Biological Treatment
• 7.2. Some Useful Definitions
• 7.3. Role of Microorganisms in Wastewater Treatment
• 7.4. Types of Biological Processes for Wastewater Treatment
• 7.5. COMPOSITION AND CLASSIFICATION OF MICROORGANISMS
• 7.6. Microorganism Identification and Classification
• 7.7. Use of Molecular Tools
• 7.8. INTRODUCTION TO MICROBIAL METABOLISM
• 7.9. Carbon and Energy Sources for Microbial Growth
• 7.10. Nutrient and Growth Factor Requirements
• 7.11. BACTERIAL GROWTH AND ENERGETICS
• 7.12. Bacterial Growth Patterns in a Batch Reactor
• 7.13. Bacterial Growth and Biomass Yield
• 7.14. Measuring Biomass Growth
• 7.15. Estimating Biomass Yield and Oxygen Requirements from Stoichiometry
• 7.16. Estimating Biomass Yield from Bioenergetics
• 7.17. Stoichiometry of Biological Reactions
• 7.18. Biomass Synthesis yields for Different Growth Conditions
• 7.19. Observed versus Synthesis Yield
• 7.20. MICROBIAL GROWTH KINETICS
• 7.21. Microbial Growth Kinetics Terminology
• 7.22. Rate of Utilization of Soluble Substrates
• 7.23. Other Rate Expressions for the Utilization of Soluble Substrate
• 7.24. Rate of Soluble Substrate Production from Biodegradable Particulate Organic Matter
• 7.25. Rate of Biomass Growth with Soluble Substrates
• 7.26. Kinetic Coefficients for Substrate Utilization and Biomass Growth
• 7.27. Rate of Oxygen Uptake
• 7.28. Effects of Temperature
• 7.29. Total Volatile Suspended Solids and Active Biomass
• 7.30. Net Biomass Yield and Observed Yield
• 7.31. MODELING SUSPENDED GROWTH TREATMENT PROCESSES
• 7.32. Description of Suspended Growth Treatment Processes
• 7.33. Biomass Mass Balance
• 7.34. Substrate Mass Balance
• 7.35. Mixed Liquor Solid Concentration and Solids Production
• 7.36. The Observed Yield
• 7.37. Design and Operating Parameters
• 7.38. Process Performance and Stability
• 7.39. Modeling plug-flow Reactors
• 7.40. SUBSTRATE REMOVAL IN ATTACHED GROWTH TREATMENT PROCESSES
• 7.41. Substrate Flux in Biofilms
• 7.42. Substrate Mass Balance for Biofilm
• 7.43. Substrate Flux Limitations
• 7.44. AEROBIC BIOLOGICAL OXIDATION
• 7.45. Stoichiometry of Biological Nitrification
• 7.46. Stoichiometry of Biological Denitrification
• 7.47. BIOLOGICAL PHOSPHORUS REMOVAL
• 7.48. Processes Occurring in the Anaerobic Zone
• 7.49. Processes Occurring in the Aerobic/Anoxic Zone
• 7.50. Stoichiometry of Biological Phosphorus Removal
• 7.51. ANAEROBIC FERMENTATION AND OXIDATION
• 7.52. Stoichiometry of Anaerobic Fermentation and Oxidation
• 7.53. BIOLOGICAL REMOVAL OF TOXIC AND RECALCITRANT ORGANIC COMPOUNDS
• 7.54. Development of Biological Treatment Methods
• 7.55. Modeling Biotic and Abiotic Losses
• 7.56. BIOLOGICAL REMOVAL OF HEAVY METALS
• 7.57. PROBLEMS AND DISCUSSION TOPICS

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Phương pháp này sử dụng các vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc hiểu rõ về quy trình và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý là rất quan trọng.

1.1. Định Nghĩa và Mục Tiêu Của Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Xử lý nước thải bằng sinh học nhằm mục đích chuyển hóa các chất hữu cơ thành các sản phẩm an toàn hơn. Mục tiêu chính bao gồm loại bỏ chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho, cũng như giảm thiểu các hợp chất độc hại có trong nước thải.

1.2. Vai Trò Của Vi Sinh Vật Trong Xử Lý Nước Thải

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Chúng không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có thể tái sử dụng, góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

II. Thách Thức Trong Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Mặc dù phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Các yếu tố như nồng độ chất ô nhiễm cao, sự thay đổi nhiệt độ và pH có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý.

2.1. Nồng Độ Chất Ô Nhiễm Cao

Nồng độ chất ô nhiễm cao có thể làm giảm khả năng hoạt động của vi sinh vật, dẫn đến hiệu quả xử lý kém. Cần có các biện pháp tiền xử lý để giảm nồng độ này trước khi đưa vào hệ thống xử lý.

2.2. Biến Động Nhiệt Độ và pH

Nhiệt độ và pH không ổn định có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật. Việc duy trì các điều kiện tối ưu là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả xử lý nước thải.

III. Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học Hiện Nay

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học hiện nay, bao gồm xử lý hiếu khí và kỵ khí. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại nước thải.

3.1. Xử Lý Nước Thải Hiếu Khí

Phương pháp xử lý hiếu khí sử dụng oxy để phân hủy các chất hữu cơ. Đây là phương pháp phổ biến nhất và thường được áp dụng cho nước thải sinh hoạt.

3.2. Xử Lý Nước Thải Kỵ Khí

Xử lý kỵ khí không cần oxy và thường được sử dụng cho nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao. Phương pháp này giúp giảm thiểu khí thải và tạo ra năng lượng từ quá trình phân hủy.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ xử lý nước thải sinh hoạt đến nước thải công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu ô nhiễm.

4.1. Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt

Nước thải sinh hoạt thường chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy. Việc áp dụng phương pháp sinh học giúp loại bỏ các chất này một cách hiệu quả, bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Nước thải công nghiệp thường chứa nhiều chất độc hại. Phương pháp xử lý sinh học có thể được điều chỉnh để phù hợp với từng loại nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm.

V. Kết Luận Về Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học là một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường. Với sự phát triển của công nghệ, hiệu quả của phương pháp này ngày càng được nâng cao.

5.1. Tương Lai Của Xử Lý Nước Thải Bằng Sinh Học

Tương lai của phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến, từ công nghệ đến quy trình, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí.

5.2. Vai Trò Của Cộng Đồng Trong Bảo Vệ Môi Trường

Cộng đồng cần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc xử lý nước thải. Sự tham gia của mọi người sẽ góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình thuộc lĩnh vực Kỹ thuật Môi trường, trực tiếp phục vụ học phần Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong chương trình đào tạo kỹ sư và thạc sĩ chuyên ngành Cấp thoát nước, Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Sinh học Môi trường. Văn bản tài liệu căn cứ trên nội dung Chương 7 của ấn phẩm chuyên khảo Wastewater Engineering: Treatment and Reuse (Ấn bản lần thứ tư, Metcalf & Eddy, INC, xuất bản năm 2004), do Ks. Huỳnh Mạnh Phúc biên soạn và chuyển ngữ song ngữ Anh - Việt.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| KHUNG NỘI DUNG TỔNG QUAN CHƯƠNG 7 (METCALF & EDDY, 2004)                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Cơ sở vi sinh & Trao đổi chất   -->  Cấu trúc tế bào, Enzyme, Nguồn Carbon/Năng lượng |
| 2. Động học & Nhiệt động học sinh học --> Monod, Tăng trưởng mẻ, Năng lượng tự do Gibbs |
| 3. Mô hình hóa dòng vật chất       -->  Cân bằng COD/VSS, Hệ bùn hoạt tính, Màng dính bám |
| 4. Xử lý nâng cao & Chuyển hóa     -->  Nitrification, Denitrification, Bio-P, Kỵ khí    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc cung cấp hệ thống lý thuyết định lượng về vi sinh vật học ứng dụng, các phương trình cân bằng năng lượng sinh học và động học tăng trưởng tế bào. Thông qua các nội dung này, người học thiết lập nền tảng kỹ thuật phục vụ việc phân tích, mô hình hóa và tính toán thiết kế các công trình xử lý sinh học nước thải, tạo cơ sở tiền đề cho các nội dung thiết kế kỹ thuật chuyên sâu tại Chương 8, 9 và 10.

Cấu trúc giáo trình tiếp cận theo trật tự logic chặt chẽ: bắt đầu từ việc phân loại vi sinh vật và cơ chế trao đổi chất tế bào, tiến đến xác định các hệ số sản lượng sinh khối, mô hình hóa toán học các bể phản ứng sinh trưởng lơ lửng và dính bám, cuối cùng phân tích chi tiết các quá trình loại bỏ chất hữu cơ, nitơ, phốt pho, hợp chất khó phân hủy và kim loại nặng. Điểm đặc trưng trong phương pháp luận của giáo trình là việc lượng hóa các quá trình sinh hóa thông qua cân bằng khối lượng nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhiệt động lực học (Gibbs free energy), đồng thời chuẩn hóa đơn vị đo nồng độ thành $\text{g/m}^3$ để đồng bộ với đơn vị lưu lượng thực tế ($\text{m}^3/\text{ngày}$ hoặc $\text{m}^3/\text{giây}$).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             TIẾN TRÌNH KIẾN THỨC CỐT LÕI
                             
  • Tế bào Prokaryote         • Đường cong pha tăng trưởng  • Sinh trưởng lơ lửng (CSTR/PFR)
  • DNA, RNA, Enzyme          • Năng lượng Gibbs (ΔG°)      • Sinh trưởng dính bám (Biofilm)
  • Công thức C5H7O2N         • Cân bằng COD & Yield        • Khử Nitơ, Phốt pho & Kỵ khí

Các chương/chủ đề chính

• Tổng quan và phân loại các quá trình xử lý sinh học (Mục 7-1): Xác định 4 mục tiêu chính của xử lý sinh học đối với nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Định nghĩa và phân loại hệ thống theo chức năng trao đổi chất (hiếu khí, thiếu khí, kỵ khí, tùy nghi, kết hợp) và theo trạng thái sinh trưởng (sinh trưởng lơ lửng - suspended growth, sinh trưởng dính bám - attached growth/biofilm, hồ sinh học - lagoon).
• Thành phần và phân loại vi sinh vật (Mục 7-2): Mô tả chi tiết cấu tạo tế bào nhân sơ và nhân thực (Bảng 7-3); cơ chế biểu hiện gen thông qua phiên mã DNA và dịch mã mRNA/tRNA trên ribosome; hệ thống enzyme nội bào và ngoại bào; xác định công thức thực nghiệm của sinh khối vi khuẩn là $\text{C}5\text{H}7\text{O}2\text{N}$ (Hoover & Porges, 1952) hoặc $\text{C}{60}\text{H}{87}\text{O}{23}\text{N}_{12}\text{P}$ khi tính đến phốt pho; phân loại vi sinh vật theo dải nhiệt độ (Bảng 7-5: Psychrophilic $10\text{--}30^\circ\text{C}$, Mesophilic $20\text{--}50^\circ\text{C}$, Thermophilic $35\text{--}75^\circ\text{C}$) và ngưỡng pH chịu đựng.
• Chuyển hóa vi sinh vật và các yếu tố tăng trưởng (Mục 7-3): Phân tích nguồn carbon (dị dưỡng, tự dưỡng) và nguồn năng lượng; xác định tỷ lệ nhu cầu dinh dưỡng đa lượng (khoảng $12{,}2\text{ g N}$ và $2{,}3\text{ g P}$ trên $100\text{ g}$ sinh khối khô) cùng các vi chất (Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni) và yếu tố tăng trưởng (axit amin, purine, pyrimidine, vitamin).
• Sự tăng trưởng của vi khuẩn và năng lượng sinh học (Mục 7-4): Mô hình hóa 4 pha sinh trưởng trong bể phản ứng theo mẻ (pha trễ - lag phase, pha lũy thừa - exponential phase, pha ổn định - stationary phase, pha suy thoái/chết - death phase); định nghĩa hệ số sản lượng sinh khối lý thuyết ($Y$) và sản lượng quan sát thực tế ($Y_{\text{obs}}$); ứng dụng nhiệt động lực học qua biến thiên năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G^\circ$) từ các bán phản ứng trao đổi electron (Bảng 7-7, theo McCarty 1971–1975) để dự báo năng suất sinh khối và nhu cầu oxy.
• Động học tăng trưởng của vi sinh vật (Mục 7-5): Thiết lập các phương trình tốc độ sử dụng cơ chất hòa tan, tốc độ tạo cơ chất từ chất hữu cơ dạng hạt phân hủy sinh học, tốc độ sử dụng oxy, hệ số phân hủy nội sinh và ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ.
• Mô hình hóa quá trình sinh trưởng lơ lửng và dính bám (Mục 7-6 & 7-7): Thiết lập cân bằng vật chất cơ chất và sinh khối trong điều kiện ổn định cho bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn chỉnh (CSTR) và dòng chảy nút (PFR); xác định nồng độ chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp bùn lỏng (MLSS/MLVSS) và lượng sinh khối dư thải bỏ theo thời gian lưu bùn (SRT); phân tích thông lượng cơ chất khuếch tán qua màng sinh học và các yếu tố giới hạn thông lượng trong bể lọc nhỏ giọt (trickling filter).
• Các quá trình chuyển hóa chuyên biệt (Mục 7-8 đến 7-14): Động học và tỷ lượng phản ứng quá trình Nitrat hóa (hệ 1 bùn và 2 bùn); Khử Nitơ (tiền thiếu khí và hậu thiếu khí); Loại bỏ Phốt pho sinh học qua cơ chế tích lũy polyhydroxybutyrate (PHB) và polyphosphate; Quá trình phân hủy kỵ khí ba giai đoạn (thủy phân, lên men axit, methanogenesis); Cơ chế loại bỏ các hợp chất hữu cơ độc hại, khó phân hủy và hấp phụ kim loại nặng.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Nền tảng lý thuyết	Nguyên lý cốt lõi	Khung phân tích / Mô hình hóa
Bảo toàn đương lượng oxy	Mọi cơ chất hữu cơ và sinh khối đều quy đổi về đương lượng oxy (COD). Tế bào vi khuẩn có đương lượng là $1{,}42\text{ g COD/g VSS}$.	Cân bằng COD toàn diện: $\text{COD}{\text{vào}} - \text{COD}{\text{ra}} - \text{Oxy tiêu thụ} = 0$.
Nhiệt động học sinh học (Bioenergetics)	Các phản ứng sinh hóa tuân theo biến thiên năng lượng tự do Gibbs chuẩn ($\Delta G^\circ$) xác định qua các cặp bán phản ứng cho-nhận electron.	Tổ hợp bán phản ứng tổng hợp tế bào ($R_{cs}$), chất nhận electron ($R_a$) và chất cho electron ($R_d$).
Cân bằng pha và động học dòng liên tục	Tốc độ tích lũy sinh khối và cơ chất trong bể phản ứng bằng tổng lưu lượng vào trừ lưu lượng ra cộng/trừ tốc độ chuyển hóa nội tại.	Cân bằng vật chất ở trạng thái ổn định theo các biến số vận hành SRT, HRT và tỷ số F/M.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán thành phần và nồng độ các chất phản ứng trong nước thải; thiết lập phương trình phản ứng oxy hóa sinh học cân bằng; xác định chính xác nhu cầu oxy thực tế và lượng bùn dư phát sinh hàng ngày.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích tương quan giữa các thông số COD, BOD, VSS, MLVSS; đánh giá các pha sinh trưởng của vi khuẩn để điều chỉnh tải trọng cơ chất; dự báo hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng (N, P) dựa trên các điều kiện oxy hòa tan (DO), pH và nhiệt độ.
• Năng lực thực hành kỹ thuật (Practical competencies): Tính toán thiết kế các thông số cơ bản cho bể phản ứng sinh học tăng trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính) và tăng trưởng dính bám (bể lọc nhỏ giọt vật liệu đá hoặc nhựa); ứng dụng các hệ số phân bố $K_p$ để dự đoán sự phát tán của các chất hữu cơ độc hại (như Benzen).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

                    QUY TRÌNH TIẾP CẬN SƯ PHẠM ĐỊNH LƯỢNG
                    
  • Cấu trúc tế bào          • Đương lượng COD            • Kích thước bể phản ứng
  • Cơ chế trao đổi chất      • Bán phản ứng electron      • Lưu lượng khí cấp & bùn dư

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm diễn dịch kỹ thuật định lượng (quantitative engineering approach). Lý thuyết vi sinh vật học và hóa sinh không dừng ở mức mô tả định tính mà được chuyển hóa thành các biến số toán học, thông số động học và hệ số tỷ lượng phản ứng phục vụ mô hình hóa công trình.

Hệ thống ví dụ tính toán mẫu (Example 7-1 đến 7-10) đóng vai trò trung tâm trong tiến trình giảng dạy:

• Example 7-1: Hướng dẫn quy trình thiết lập cân bằng khối lượng COD để tính toán hệ số sản lượng quan sát ($Y_{\text{obs}} = 0{,}41\text{ g VSS/g COD}$) và lượng oxy tiêu thụ ($0{,}42\text{ g }\text{O}_2/\text{g COD}$) cho hệ thống xử lý sinh học không tuần hoàn.
• Example 7-2 & 7-3: Minh họa phương pháp áp dụng năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G^\circ$) để ước tính sản lượng tế bào từ phản ứng oxy hóa hydro hoặc cơ chất hữu cơ.
• Example 7-4: Phương pháp cân bằng phản ứng oxy hóa sinh học của Acetate có tính đến tổng hợp tế bào.
• Example 7-6 & 7-7: Trình tự tính toán thiết kế quy trình tăng trưởng lơ lửng khuấy trộn hoàn chỉnh và xác định giới hạn khuếch tán oxy trong màng sinh học biofilm.
• Example 7-8, 7-9 & 7-10: Tính toán định lượng lượng phốt pho loại bỏ, dự báo thể tích khí methane sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí và số phận chuyển hóa của hợp chất độc hại (Benzene).

Đối với công tác đánh giá và tự học, phần cuối chương cung cấp hệ thống câu hỏi lý thuyết và bài tập tính toán mở rộng (Mục Problems and Discussion Topics, trang 146). Giáo trình định hướng người học tự đọc thông qua phương pháp đối chiếu văn bản song ngữ: thuật ngữ kỹ thuật tiếng Anh đi kèm bản dịch tiếng Việt giúp người học chuẩn hóa thuật ngữ chuyên ngành phục vụ nghiên cứu các tài liệu quốc tế.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tích hợp công cụ sinh học phân tử hiện đại: Giáo trình cập nhật việc ứng dụng kỹ thuật di truyền học phân tử (Molecular tools) như kỹ thuật mẫu dò acid nucleic (Dot blot technique - Hình 7-8), phân tích biểu hiện gen phiên mã/dịch mã (Hình 7-6) và cây phát sinh loài (Phylogenetic tree of life, Madigan et al., 2000) để định danh và phân loại quần thể vi sinh vật trong hệ thống xử lý.
• Mô hình hóa toán học sâu dựa trên phân đoạn COD: Thay vì chỉ sử dụng $\text{BOD}_5$ truyền thống, giáo trình tiếp cận xử lý nước thải thông qua phân đoạn COD hòa tan dễ phân hủy sinh học (bsCOD), phân định rõ giữa sinh khối hoạt tính và chất rắn trơ không phân hủy sinh học, nâng cao độ chính xác khi mô phỏng phản ứng.
• Tính liên hệ thực tiễn và dữ liệu công trình: Dữ liệu tính toán đi kèm với các hình ảnh và thông số thiết kế thực tế từ các trạm xử lý quy mô lớn trên thế giới, bao gồm hiện tượng bọt sinh học do Nocardia (Hình 7-18), tháp lọc nhỏ giọt đệm nhựa chiều cao $10\text{ m}$ đường kính $50\text{ m}$ (Hình 7-3), và công trình bể phân hủy kỵ khí hình trứng tại Kuwait City và Okinawa - Nhật Bản (Hình 7-24).
• Chuẩn hóa đơn vị đo lường kỹ thuật: Toàn bộ dữ liệu tính toán nồng độ được chuyển đổi nhất quán sang đơn vị $\text{g/m}^3$ (thay cho $\text{mg/L}$), tạo sự tương thích trực tiếp với các đơn vị đo lưu lượng lớn trong tính toán quy mô công nghiệp ($\text{m}^3/\text{ngày}$).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG VÀ YÊU CẦU TIÊN QUYẾT                                           |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| • Sinh viên Đại học (Năm 3, 4) & Cao học: Ngành Kỹ thuật Môi trường, Hóa học     |
| • Giảng viên: Làm khung bài giảng môn Xử lý nước thải, Thiết kế công trình        |
| • Kỹ sư thiết kế & Vận hành: Dùng làm tài liệu tra cứu hệ số động học, tính bùn   |
| • Yêu cầu tiên quyết: Hóa đại cương, Vi sinh môi trường, Thủy lực, Truyền khối     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

• Sinh viên đại học và học viên cao học: Sinh viên các năm cuối (năm thứ 3, năm thứ 4) và học viên sau đại học thuộc các ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Công nghệ Hóa học và Công nghệ Sinh học cần tài liệu chuyên sâu về cơ sở tính toán xử lý sinh học.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng bao gồm Hóa học đại cương, Vi sinh vật học môi trường, Thủy lực đại cương, Nhiệt động lực học và Các quá trình truyền khối/cân bằng vật chất.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa, xây dựng đề cương chi tiết môn học Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, làm nguồn trích xuất bài tập mẫu và đề tài thảo luận nhóm.
• Kỹ sư thực hành và chuyên gia công nghệ: Kỹ sư thiết kế công nghệ môi trường sử dụng tài liệu để tra cứu các hệ số động học (Bảng 7-8, 7-9), hệ số phân bố $K_p$ (Bảng 7-11), và ứng dụng các thuật toán cân bằng COD/bùn hoạt tính trong việc kiểm toán hoặc tối ưu hóa trạm xử lý nước thải hiện hữu.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với trình độ đào tạo nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ bậc đào tạo đại học chuyên ngành kỹ thuật từ năm thứ 3 trở lên và bậc đào tạo sau đại học (thạc sĩ, tiến sĩ) chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường hoặc Công nghệ Hóa học Môi trường.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi nghiên cứu giáo trình?

Người học cần nắm vững kiến thức Hóa học (đặc biệt là cân bằng oxy hóa - khử, tính toán đương lượng COD), Vi sinh vật học (cấu tạo tế bào, cơ chế trao đổi chất), Nhiệt động lực học hóa học (năng lượng tự do Gibbs) và Toán học giải tích (thiết lập phương trình vi phân cân bằng vật chất).

3. Điểm khác biệt căn bản giữa giáo trình này và các tài liệu xử lý nước thải thông thường là gì?

Giáo trình phân tích sâu cơ chế phản ứng ở mức độ phân tử và nhiệt động học bán phản ứng electron (phương pháp McCarty), lượng hóa toàn bộ quá trình biến đổi cơ chất thành bùn và khí qua cân bằng COD, thay vì chỉ tiếp cận công nghệ thông qua các công thức kinh nghiệm thuần túy.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên học tuần tự từ Mục 7-1 đến 7-7 để nắm vững lý thuyết nền tảng, sau đó tự giải lại các bài tập mẫu (Example 7-1 đến Example 7-10) mà không nhìn lời giải trước, kết hợp đối chiếu các thuật ngữ kỹ thuật tiếng Anh trong các bảng số liệu (Table 7-1 đến 7-11) để nâng cao năng lực đọc tài liệu chuyên ngành.

5. Giáo trình có tích hợp đầy đủ dữ liệu để tính toán thiết kế không?

Có. Giáo trình cung cấp đầy đủ các bảng dữ liệu số thực nghiệm, bao gồm thành phần tế bào vi khuẩn (Bảng 7-4), hệ số năng suất tổng hợp tế bào (Bảng 7-8), hệ số động học bùn hoạt tính (Bảng 7-9), và năng lượng tự do của các bán phản ứng sinh học (Bảng 7-7).

---

Kết luận

Chương 7 cuốn sách Wastewater Engineering: Treatment and Reuse (Metcalf & Eddy, 2004) cung cấp khung lý thuyết nền tảng và phương pháp mô hình hóa định lượng cho toàn bộ lĩnh vực xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Lộ trình tiếp thu tối ưu bắt đầu từ việc nắm vững lý thuyết tế bào vi sinh, cân bằng nhiệt động học và động học Monod, sau đó tiến tới mô hình hóa hệ thống bùn hoạt tính và màng dính bám, làm bước chuẩn bị trực tiếp cho các nội dung tính toán thiết kế công trình ở các chương tiếp theo. Người học có thể mở rộng nghiên cứu qua các công trình nền tảng được trích dẫn trong tài liệu của Hoover & Porges (1952), McCarty (1975), Madigan et al. (2000), Sedlak (1991), và Crites & Tchobanoglous (1998).

Trích đoạn nội dung tài liệu

CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN XANH Treatment and Reuse PHỐ XANH Fourth Edition CHƯƠNG Cover by: Ks. HUỲNH MẠNH PHÚC Đơn vị công tác: CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN XANH Địa chỉ: Số 409/3/9, Nguyễn Oanh, Phường 17, Q. HCM Tháng 02/2023 LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU Chào các bạn đọc giả đã và đang đọc phần tài liệu này! Đây là chương số bảy (7) trong cuốn sách Wastewater Engineering Treatment and Reuse ấn bản lần thứ tư của Metcalf & Eddy, INC xuất bản năm 2004. Đây là một cuốn sách khá là hay về Công nghệ xử lý nước và nước thải.

Tuy nhiên vì phiên bản PDF quá là mờ và cũ kỹ, nên tôi đã dành một ít thời gian trong mỗi ngày sau những giờ làm việc để cover và biên soạn lại, bên cạnh đó tôi còn sử dụng số vố Anh ngữ ít ỏi của mình kèm theo các công nghệ dịch thuật để biên soạn phần tài liệu này sang tiếng Việt và đi kèm song song theo nguyên tác tiếng Anh để tiện cho những bạn trẻ có đam mê về các hoạt động bảo vệ môi trường được tiện tham khảo. Tôi xin chân thành cảm ơn các tác giả của ấn phẩm gốc. Tôi xin được sử dụng ấn phẩm gốc để truyền tải các kiến thức quý báo của quý vị đến với nhiều người hơn nhằm tạo nên những giá trị vượt thượng hơn. Tuy tôi đã dành khá nhiềm tâm huyết để biên soạn và dịch thuật lại nó, nhưng với sự hạn hẹp về vốn từ cũng như các kỹ năng Anh ngữ, cho nên việc sai sót trong phần tài liệu này thực sự là khó tránh khỏi.

Tôi rất mong muốn các bạn đọc giúp tôi chỉnh sửa để hoàn thiện thêm nhằm để nó trở thành một tài liệu hữu ích cho mọi người. Mọi đóng góp vui lòng gởi vào Email: huynhmanhphuc. Xin chân thành cảm ơn!!! Contents 7-1 OVERVIEW OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT/. 1 Objectives of Biological Treatment/.

2 Some Useful Definitions. 2 Role of Microorganisms in Wastewater Treatment. 3 Types of Biological Processes for Wastewater Treatment/. COMPOSITION AND CLASSIFICATION OF MICROORGANISMS.

19 Microorganism Identification and Classification/. 20 Use of Molecular Tools/. 23 7-3 INTRODUCTION TO MICROBIAL METABOLISM/. 26 Carbon and Energy Sources for Microbial Growth/.

27 Nutrient and Growth Factor Requirements/. 29 7-4 BACTERIAL GROWTH AND ENERGETICS/. 30 Bacterial Growth Patterns in a Batch Reactor/. 31 Bacterial Growth and Biomass Yield/.

32 Measuring Biomass Growth/. 33 Estimating Biomass Yield and Oxygen Requirements from Stoichiometry/. 34 Estimating Biomass Yield from Bioenergetics/. 38 Stoichiometry of Biological Reactions/.

48 Biomass Synthesis yields for Different Growth Conditions/. 50 Observed versus Synthesis Yield. 50 7-5 MICROBIAL GROWTH KINETICS. 51 Microbial Growth Kinetics Terminology/.

52 Rate of Utilization of Soluble Substrates/. 53 Other Rate Expressions for the Utilization of Soluble Substrate/. 55 Rate of Soluble Substrate Production from Biodegradable Particulate Organic Matter/. 56 Rate of Biomass Growth with Soluble Substrates/.

57 Kinetic Coefficients for Substrate Utilization and Biomass Growth/. 58 Rate of Oxygen Uptake/. 59 Effects of Temperature/. 59 Total Volatile Suspended Solids and Active Biomass/.

60 Net Biomass Yield and Observed Yield/. 61 7-6 MODELING SUSPENDED GROWTH TREATMENT PROCESSES. 63 Description of Suspended Growth Treatment Processes/. 63 Biomass Mass Balance/.

64 Substrate Mass Balance/. 68 Mixed Liquor Solid Concentration and Solids Production/. 69 The Observed Yield/. 73 Design and Operating Parameters/.

76 Process Performance and Stability/. 79 Modeling plug-flow Reactors/. 81 7-7 SUBSTRATE REMOVAL IN ATTACHED GROWTH TREATMENT PROCESSES/. 82 Substrate Flux in Biofilms/.

85 Substrate Mass Balance for Biofilm. 87 Substrate Flux Limitations/. 88 7-8 AEROBIC BIOLOGICAL OXIDATION. 96 Stoichiometry of Biological Nitrification/.

107 Stoichiometry of Biological Denitrification/. 116 7-11 BIOLOGICAL PHOSPHORUS REMOVAL/. 116 Processes Occurring in the Anaerobic Zone/. 118 Processes Occurring in the Aerobic/Anoxic Zone/.

119 Stoichiometry of Biological Phosphorus Removal/. 124 7-12 ANAEROBIC FERMENTATION AND OXIDATION/. 127 Stoichiometry of Anaerobic Fermentation and Oxidation/. 133 7-13 BIOLOGICAL REMOVAL OF TOXIC AND RECALCITRANT ORGANIC COMPOUNDS/.

133 Development of Biological Treatment Methods/. 138 Modeling Biotic and Abiotic Losses/. 141 7-14 BIOLOGICAL REMOVAL OF HEAVY METALS/. 145 PROBLEMS AND DISCUSSION TOPICS/.

146 FIGURE MENU Figure 7- 1 Typical (simplified) flow diagrams for biological processes used for wastewater treatment:/ Sơ đồ dòng chảy điển hình (đơn giản hóa) cho các quá trình sinh học được sử dụng để xử lý nước thải:. 4 Figure 7- 2 Suspended growth biological treatment process (a-1) schematic and (a-2) view of plug-flow activated-sludge process and (b-1) schematic and (b-2) view of complete-mix activated-sludge process./ Quy trìnhBảng 7- 1 xử lý sinh học tăng trưởng lơ lửng (a-1) sơ đồ và (a-2) quy trình bùn hoạt tính làm thoáng thông thường và (b-1) sơ đồ và (b-2) xem quy trình bùn hoạt tính hỗn hợp hoàn chỉnh. 11 Figure 7- 3 Attached growth biological treatment process (a-1) schematic and (a-2) view of tricking filter with rock packing and (b-1) schematic and (b-2) view of tower tricking filter with plastic packing (see Fig. The tower filter is 10 m high and 50 m in diameter./ Quy trình xử lý sinh học tăng trưởng dính bám (a-1) sơ đồ và (a-2) hình ảnh bể lọc với giá là đá và (b-1) sơ đồ và (b-2) hình ảnh bể lọc với giá thể nhựa (xem Hình 7 -15b).

Bể lọc cao 10 m và đường kính 50 m. 12 Figure 7- 4 Typical internal structure of cells: (a) prokaryotic and (b) eukaryotic./ Cấu trúc bên trong điển hình của tế bào: (a) nhân sơ và (b) nhân thực. 14 Figure 7- 5 Nucleotide structure of deoxyribose nucleic acid (DNA) and ribose nucleic acid (RNA)./ Cấu trúc nucleotide của axit nucleic deoxyribose (DNA) và axit nucleic ribose (RNA). 15 Figure 7- 6 Gene expression leads to the formation of proteins by transcription of a segment of the DNA genetic code and translation in the ribosome via messenger RNA (mRNA) and transfer RNA (tRNA) to form a series of amino acids, which form polypeptides and finally protein./ Sự biểu hiện gen dẫn đến sự hình thành các protein bằng cách phiên mã một đoạn mã di truyền DNA và dịch mã trong ribosome thông qua RNA thông tin (mRNA) và RNA chuyển (tRNA) để tạo thành một chuỗi axit amin, tạo thành polypeptit và cuối cùng là protein.Error! Bookmark not defined.

Figure 7- 7 Phylogenetic tree of life./ Cây phát sinh loài của sự sống (Adapted bom Madigon et al, 2000. 23 Figure 7- 8 Dot blot technique to probe DMA genetic information./ Hình 7-8 Kỹ thuật chấm chấm để thăm dò thông tin di truyền DMA. 25 Figure 7- 9 Examples of bacteria metabolism: (a) aerobic, heterotrophic (b) aerobic autotrophic, (c) anaerobic, heterotrophic./ Ví dụ về quá trình trao đổi chất của vi khuẩn: (a) hiếu khí, dị dưỡng (b) tự dưỡng hiếu khí, (c) kỵ khí, dị dưỡng. 27 Figure 7- 10 Batch process biomass growth phases with changes in substrate and biomass versus time./ Các giai đoạn tăng trưởng sinh khối của quy trình hàng loạt với những thay đổi về chất nền và sinh khối theo thời gian.

32 Figure 7- 11 Rate of change of substrate utilization versus biodegradable soluble COD concentration based on the saturation-type model [see Eq./ Tỷ lệ thay đổi việc sử dụng cơ chất so với nồng độ COD hòa tan có thể phân hủy sinh học dựa trên mô hình loại bão hòa [xem Công thức (7-12)]. Error! Bookmark not defined. Figure 7- 12 Schematic diagram of activated-sludge process with model nomenclature: (a) with wasting from the sludge return line and (b) with wasting from the aeration tank./ Sơ đồ của quá trình bùn hoạt tính với danh pháp mô hình: (a) với chất thải từ đường hồi bùn và (b) với chất thải từ bể sục khí. 65 Figure 7- 13 Biodegradable soluble COD, biomass and MLVSS concentrations versus SRT for complete-mix activated-sludge process./ Nồng độ COD, sinh khối và MLVSS hòa tan dễ phân hủy sinh học so với SRT cho quy trình bùn hoạt tính hỗn hợp hoàn chỉnh.

71 Figure 7- 14 Effluent substrate concentration and removal efficiency for complete-mix and plug- flow reactors with recycle versus SRT./ Nồng độ chất nền trong nước thải và hiệu quả loại bỏ đối với các bể phản ứng hỗn hợp hoàn chỉnh và bể phản ứng dòng chảy thông thường có tuần hoàn so với SRT. 80 Figure 7- 15 Typical packing for trickling filter: (a) rock and (b) plastic/ Vật liệu điển hình cho bể lọc nhỏ giọt: (a) đá và (b) nhựa. 83 Figure 7- 16 Schematic representation of the cross section of a biological slime in a trickling filter: (a) pictorial and (b) iaealized./ Biểu diễn giản đồ của mặt cắt ngang của chất nhờn sinh học trong một bộ lọc nhỏ giọt: (a) hình ảnh và (b) lý tưởng hóa. 84 Figure 7- 17 Definition sketch for the analysis of substrate concentration in the biofilm./ Bản phác thảo định nghĩa cho việc phân tích nồng độ cơ chất trong màng sinh học.

85 Figure 7- 18 Examples of foam caused by Nocardia accumulated on the surface of activated- sludge aeration tanks./ Ví dụ về bọt do Nocardia tích tụ trên bề mặt của bể sục khí bùn hoạt tính. 93 Figure 7- 19 Process configuration used for biological nitrification: (a) single-sludge suspended growth system and (b) two-sludge suspended growth system./ Cấu hình quy trình được sử dụng để nitrat hóa sinh học: (a) hệ thống tăng trưởng lơ lửng một bùn và (b) hệ thống tăng trưởng lơ lửng hai bùn. 98 Figure 7- 20 Nitrogen transformations in biological treatment processes. (Adapted from Sedlak, 1991)/ Sự biến đổi nitơ trong các quá trình xử lý sinh học.

106 Figure 7- 21 Types of denitrification processes and the reactors used for their implementation: (a) substrate driven (pre-anoxic denitrification) and (b) endogenous driven (post-anoxic denitrification)./ Các loại quy trình khử nitơ và các bể phản ứng được sử dụng để thực hiện chúng: (a) điều khiển cơ chất (khử nitơ trước thiếu khí) và (b) điều khiển nội sinh (khử nitơ sau thiếu khí). 106 Figure 7- 22 Biological phosphorus removal: (a) typical reactor configuration. Photos below flow diagram are of (b) transmission electron microscope images of polyhydroxybutyrate storage and (c) polyphosphate storage granules./ Loại bỏ photpho sinh học: (a) cấu hình bể phản ứng điển hình. Các ảnh dưới đây là sơ đồ dòng chảy của (b) ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của chất lưu trữ polyhydroxybutyrat và (c) hạt lưu trữ polyphotphat.

118 Figure 7- 23 Fate of soluble BOD and phosphorus in nutrient removal reactor. (Adapted from Sedlak, 1991)/ Số phận của BOD và phốt pho hòa tan trong bể phản ứng loại bỏ chất dinh dưỡng. 120 Figure 7- 24 Views of anaerobic digesters, (a) Kuwait City, Kuwait and (b) egg-shaped digester at Okinawa, Japan./ Quang cảnh các bể phân hủy kỵ khí, (a) Thành phố Kuwait, Kuwait và (b) bể phân hủy hình trứng ở Okinawa, Nhật Bản. 125 Figure 7- 25 Anaerobic process schematic of hydrolysis, fermentation, and methanogenesis./ Sơ đồ quá trình kỵ khí của quá trình thủy phân, lên men và tạo thành methanogenesis.

128 Figure 7- 26 Carbon and hydrogen flow in anaerobic digestion process./ Dòng cacbon và hydro trong quá trình phân hủy kỵ khí.