Nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thác được trong quá trình hô hấp mà chúng có thể tổng hợp các chất để phục vụ cho quá trình sinh trưởng, sinh sản... Kết quả là số lượng tế bào vi sinh vật không ngừng được tăng lên.

Nguyên lý chung của quá trình oxy hoá sinh học trong điều kiện hiếu khí 

Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, các chất thải có trong môi trường như các chất hữu cơ hoà tan, các chất keovà phân tán nhỏ sé được chuyển hoá bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật. 

Tiếp sau đó là giai đoạn khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào quan màng bán thấm (tức màng nguyên sinh). Các chất vào trong tế bào dưới tác động của hệ enzym nội bào sẽ được phân huỷ. 

Quá trình phân giải các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong tế bào chất của tế bào sống là các phản ứng oxy hoá khử, có thể biển diễn ở dạng tổng quát như sau :

Sự oxy hóa các chất hữu cơ và một số chất khoáng trong tế bào vi sinh vật nhờ vào quá trình hô hấp. Nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thác được trong quá trình hô hấp mà chúng có thể tổng hợp các chất để phục vụ cho quá trình sinh trưởng, sinh sản... Kết quả là số lượng tế bào vi sinh vật không ngừng được tăng lên.

Các quá trình trên liên tục xảy ra, nồng độ các chất ở xung quanh tế bào sẽ giảm dần. Các thành phần thức ăn mới từ môi trường bên ngoài (nước thải) lại khuếch tán và bổ sung thay thế vào. Thông thường quá trình khuếch tán các chất trong môi trường xảy ra chậm hơn quá trình hấp thụ qua màng tế bào, do vậy nồng độ các chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp hơn nơi xa tế bào. Đối với sản phẩm của tế bào tiết ra thì ngược lại, nhiều hơn so với nơi xa tế bào.

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến môi trường xử lý
Để bảo đảm quá trình xử lý bằng biện pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí được tiến hành tốt, người ta theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường sau đây:

- Oxygen (O2) : Trong các công trình xử lý hiếu khí, O2 là một thành phần cực kỳ quan trọng của môi trường. Công trình phải bảo đảm cung cấp đầy đủ lượng O2 một cách liên tục và hàm lượng O2 hoà tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt hai không nhỏ hơn 2mg/l.
- Nồng độ các chất bẩn hữu cơ phải thấp hơn ngưỡng cho phép. Có nhiều chất bẩn hữu cơ nếu nồng độ quá cao, vượt quá mức cho phép sẽ ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống của vi sinh vật tham gia xử lý, cần kiểm tra các chỉ số BOD và COD của nước thải. 

Cụ thể: hỗn hợp nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt chảy vào công trình xử lý là bể lọc sinh học phải có BOD toàn phần (BODtp) ≤ 500mg/l, nếu dùng bể aeroten, thì BODtp không được quá 1000mg/l. Nếu nước thải có chỉ số BODtp vượt quá giới hạn nói trên, cần thiết phải dùng nước thải đã qua xử lý hay nước sông đã pha loãng.

- Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật : Để vi sinh vật tham gia thực hiện các quá trình oxy hoá nước thải một cách có hiệu quả, cần thiết phải cung cấp cho chúng đầy đủ các chất dinh dưỡng trong môi trường sống. Lượng các chất dinh dưỡng cần thiết để các quá trình sinh sản xảy ra bình thường không được thấp hơn giá trị nêu ở bảng 7.5.

Nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết (Theo M.X. Moxitrep, 1982)

BODtp của nước thải (mg/l)     Nồng độ nitrogen trong muối ammonium (mg/l)     Nồng độ phosphortrong P2O5(mg/l)
< 500500 - 1000     1525     368
Ngoài nguồn nitrogen, phosphor có nhu cầu như đã nêu ở bảng 7.5, các yếu tố dinh dưỡng khoáng khác như K, Ca, S ... trong nước thải thường cũng đủ cung cấp cho nhu cầu của vi sinh vật, ta không cần phải cho thêm vào nữa.

Các chất dinh dưỡng nói trên rất cần cho hoạt động sống của vi sinh vật tham gia sử lý nước thải, nếu thiếu sẽ kìm hãm và ngăn cản các quá trình oxy hoá sinh học. Nếu thiếu nitrogen một cách lâu dài, ngoài việc cản trở các quá trình sinh hoá, còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng và dễ trôi theo nước ra khỏi bể lắng.

Để xác định sơ bộ lượng các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết đối với nhiều loại nước thải công nghiệp, có thể chọn tỉ lệ sau :
BODtp : N : P = 100 : 5 : 1
Ngoài ra các yếu tố khác của môi trường như pH, t0 cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hoạt động của vi sinh vật trong các thiết bị xử lý. Qua thực nghiệm cho thấy, thường giá trị pH tối ưu cho hoạt động phân giải của các vi sinh vật trong bể xử lý hiếu khí là 6,5 - 8,5 và nhiệt độ của nước thải trong các công trình nằm trong khoảng 60C - 370C.

Các dạng công trình xử lý hiếu khí nước thải
Để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí, thường sử dụng hai loại công trình là bể lọc sinh học (biofilter) và bể sục khí (aeroten).

- Bể lọc sinh học (biofilter) :
Là thiết bị xử lý nước thải dựa theo nguyên tắc lọc với sự tham gia của vi sinh vật. Thiết bị này làm bằng bêtông có dạng hình tròn hay hình chữ nhật có hai đáy (hình 7.8). Đáy trên gọi là đáy dẫn lưu, được cấu tạo bằng bêtông cốt thép có thủng lỗ với tổng diện tích các lỗ thủng không nhỏ hơn 5 - 8% diện tích của đáy. Đáy dưới được xây kín, có độ dốc nhất định (để nước dễ dàng chảy về một phía) và thông với bể lắng thứ cấp, là nơi nước thải sau khi xử lý xong đổ ra. Ở bể này nước được lưu lại một thời gian ngắn để được lắng cặn trước khi đổ ra ngoài hoà vào hệ thống thoát nước của thành phố. Chiều cao của bể lọc (hay chiều cao của cột nguyên liệu) sẽ phụ thuộc vào thành phần của nước thải cũng như khả năng oxy hoá của màng sinh vật.

Bể lọc sinh học

Để tạo điều kiện hiếu khí cho quá trình xử lý, từ phía dưới của đáy dẫn lưu, người ta cho không khí đi lên qua vật liệu lọc hoặc tấm mang bằng thông khí tự nhiên (do chênh lệch nhiệt độ trong bể lọc) hay thổi khí bằng quạt.

Vật liệu dùng trong bể lọc là các loại đá cuội, đá dăm và xỉ than đá (theo phương pháp cổ điển). Hiện nay để tăng diện tích tiếp xúc giữa vi sinh vật và hệ thống nước lọc sinh học, người ta thay các vật liệu lọc bằng những tấm mang làm bằng vật liệu nhẹ, xốp có cấu tạo dạng ống hoặc dạng miếng, được thiết kế sao cho có nhiều nếp gấp khúc (để tăng diện tích bề mặt).

Nước thải có chứa vi sinh vật tham gia xử lý được tưới từ trên xuống lớp vật liệu lọc hay tấm mang theo nguyên tắc chênh lệch thế năng. Khi dòng nước thải chảy qua vật liệu lọc hay tấm mang, vi sinh vật sẽ phát triển tạo thành màng sinh vật bám vàp khắp bề mặt của nguyên liệu lọc và tấm mang, và khu trú ở đây. Như vậy, khi dòng nước thải chảy liên tục với một vận tốc nhất định từ trên bề mặt của bể lọc xuống sẽ tiếp xúc trực tiếp với màng sinh vật. Và lúc đó sẽ xảy ra quá trình oxy hoá các chất bẩn có trong nước thải, để cuối cùng khi đến bể lắng thứ cấp, nước thải sẽ có chỉ số BOD5 giảm đi rất nhiều so với nước thải chưa xử lý.

Trong quá trình vận hành của bể lọc sinh học, sự sinh trường và chết đi của màng sinh vật xảy ra không ngừng. Màng sinh vật bị chết sẽ bị tách ra khỏi nơi bám và bị cuốn theo dòng chảy, chảy ra khỏi bể lọc, cuối cùng sẽ được lắng lại ở bể lắng thứ cấp vùng nơi cặn bùn.
Hiệu quả làm sạch nước thải của bể lọc sinh học khá cao. Nếu hệ thống bể lọc hoạt động tốt có thể xử lý làm giảm 90% chỉ số BOD5 của nước thải.

- Bể sục khí (Aeroten):
Ngoài việc dùng bể lọc sinh học, trong xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học ở điều kiện hiếu khí, người ta có thể sử dụng bể sục khí (aeroten).

Bể sục khí là hệ thống bể oxy hoá (1) có dạng hình chữ nhật được ngăn ra làm nhiều buồng (3 đến 4 buồng) nối với bể lắng (2). Giống như ở bể lọc sinh học, quá trình xử lý nước thải ở bể sục khí được tiến hành nhờ hoạt động của hệ vi sinhvật ở bùn hoạt tính. Nhưng quá trình này được thực hiện trong điều kiện có thông khí mạnh nhờ hệ thống sục khí từ dưới đáy bể lên (3). Cường độ thông khí:

5m3/m2/giờ, bảo đảm oxygen tối đa cho quá trình oxy hoá. Ở bể oxy hoá, bùn hoạt tính lấy từ bùn gốc sau khi qua giai đoạn khởi động hay sử dụng bùn lắng lấy từ bể lắng cặn (2) chuyển vào. Ở đây bùn hoạt tính gặp oxygen của không khí được bơm vào bể sẽ tiến hành quá trình oxy hoá và khoáng hoá các chất bẩn trong nước thải một cách khá triệt để. Sau khi chảy suốt qua các buồng của bể oxy hoá, nước thải sẽ chảy vào bể lắng. Ở đây cũng sẽ xảy ra quá trình lắng cặn xuống đáy bể, phần nước ở trên là nước đã được xử lý sẽ được dẫn ra ngoài.

Trong quá trình vận hành, ở bể oxy hoá, theo thời gian lượng bùn hoạt tính sẽ tăng lên, đồng thời cũng tích lũy nhiều tế bào vi sinh vật già cỗi khiến hoạt tính của bùn sẽ giảm. Người ta nói bùn bị già. Vì vậy khi cho bùn thu ở bể lắng trở lại bể oxy hoá, không nhất thiết cho toàn bộ số bùn có trong bể lắng, mà chỉ cho một phần, để bảo đảm nồng độ bùn hoạt tính là 2 - 4g/l.

Xử lý nước thải bằng bể aeroten phức tạp và đòi hỏi nhiều công sức hơn so với bể lọc sinh học. Người ta phải theo dõi liên tục và kịp thời điều chỉnh các chỉ số sau:
+ Nồng độ bùn hoạt tính
+ Chế độ thông khí
+ Nồng độ các chất bẩn trong nước thải
+ Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật.
Theo VOER/moitruong