Bùn nổi do Nitrat và cách xử lý: Nguyên nhân, cơ chế và giải pháp kỹ thuật

Bùn nổi ở bể lắng ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống xử lý nước thải?

Nhiều đơn vị vận hành thường cho rằng bùn nổi chỉ là hiện tượng tạm thời và không gây ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý. Tuy nhiên trên thực tế, đây là một trong những dấu hiệu cảnh báo hệ thống đang gặp vấn đề về công nghệ, vi sinh hoặc chế độ vận hành. Khi bùn nổi xuất hiện với số lượng lớn, khả năng tách pha rắn, lỏng trong bể lắng sẽ suy giảm đáng kể. Một phần bùn có thể bị cuốn theo dòng nước sang các công trình phía sau làm gia tăng chỉ tiêu TSS, COD và độ đục của nước đầu ra không đáp ứng các quy chuẩn môi trường hiện hành.

Ngoài ra, hiện tượng này còn dẫn đến các vấn đề như sau:

Giảm hiệu quả lắng của bể lắng thứ cấp.
Mất sinh khối vi sinh trong hệ thống.
Gia tăng chi phí vận hành và xử lý sự cố.
Tăng nguy cơ nước thải đầu ra không đạt quy chuẩn.
Ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu quả của toàn bộ hệ thống xử lý nước thải.

Cách nhận biết các dạng bùn nổi ở bể lắng

Quan sát màu sắc, hình thái và đặc điểm của bùn nổi có thể giúp người vận hành nhanh chóng xác định nguyên nhân ban đầu.

Hiện tượng bùn nổi	Nguyên nhân có thể
Bùn nổi kèm nhiều bọt khí nhỏ	Khử Nitrat
Bùn nổi thành từng mảng xám đen, có mùi hôi	Bùn già, lưu bùn quá lâu
Bùn nổi dạng xốp, nhẹ	Vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh
Bùn nổi trắng hoặc vàng nhạt	Vi sinh bị chết
Bùn nổi đột ngột sau khi tiếp nhận nguồn thải mới	Nước thải chứa chất độc

Nguyên nhân gây nổi bùn trong bể lắng thứ cấp?

Trong điều kiện thiếu khí, việc tăng thời gian lưu của bùn hoạt tính có thể nâng cao khả năng khử nitrat, tạo ra khí nitơ. Khi chất lượng nước đầu vào chứa quá nhiều chất hữu cơ, nồng độ nitơ amoniac trong nước đầu vào tăng lên, làm tăng thêm khả năng khử nitrat.

Ngoài ra, lượng oxy hòa tan không đủ, giá trị pH thấp và tuổi bùn kéo dài cũng có thể thúc đẩy quá trình khử nitrat. Sau khi phản ứng nitrat hóa xảy ra, bùn được đẩy lên trên nhờ khí nitơ (N2), đẩy nhanh quá trình tuyển nổi của bùn. Vì vậy, các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình tuyển nổi bùn được tóm tắt như sau:

1) Lượng nước ảnh hưởng

Lượng nước chảy vào tăng đột ngột sẽ làm tăng tải trọng thủy lực trên bề mặt bể lắng thứ cấp, làm tăng tốc độ dòng chảy đi lên và ảnh hưởng đến quá trình lắng bình thường của bùn hoạt tính. Tải trọng tác động lớn có thể làm mất ổn định bùn trong bể lắng thứ cấp, ảnh hưởng đến quá trình lắng bình thường của bùn hoạt tính và đẩy nhanh sự biến động của lớp bùn trong bể lắng.

2) Nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng lên, khí nitơ sinh ra do quá trình khử nitrat trong bể lắng thứ cấp sẽ tăng lên. Tốc độ khử nitrat có liên quan đến nồng độ nitrat trong nước thải, nhiệt độ, nguồn carbon và nồng độ bùn.

Trong hoạt động sản xuất thực tế, điều này biểu hiện dưới dạng những khối bùn nổi màu vàng lớn xung quanh bể lắng thứ cấp, kèm theo bong bóng trong quá trình tuyển nổi. Đặc biệt ở các vùng lạnh phía Bắc, nhiệt độ tăng trực tiếp đẩy nhanh quá trình khử nitrat, khiến các khối bùn lớn nổi lên cùng với N2 trong bể lắng thứ cấp.

3) Giá trị pH

Trong xử lý nước thải, giá trị pH quá cao hoặc quá thấp sẽ gây bất lợi cho sự sống sót của vi sinh vật và gây tổn hại đáng kể đến hiệu quả xử lý sinh học thông thường. Đặc biệt khi giá trị pH dưới 5 thì tác động đến sự giãn nở của bùn ở bể lắng thứ cấp càng lớn., đẩy nhanh quá trình tuyển nổi của bùn hoạt tính, dẫn đến thất thoát bùn hoạt tính và ảnh hưởng trực tiếp đến việc tuân thủ chất lượng nước thải.

4) Oxy hòa tan

Khả năng nhận điện tử của O2 cao hơn nhiều so với NO2 và NO3. Oxy trong nước thải có thể ngăn chặn khí nitơ tạo ra từ quá trình khử nitrat, làm chậm tốc độ khử nitrat.

Nồng độ oxy hòa tan cao đẩy nhanh quá trình trao đổi chất, và trong thời gian ngắn, hoạt động của bùn tốt và chất hữu cơ bị phân hủy nhanh chóng. Tuy nhiên, theo thời gian, oxy hòa tan sẽ chảy theo nước, trực tiếp tạo ra những vùng bong bóng lớn trong bể phản ứng sinh học hiếu khí.

Khi lượng oxy hòa tan quá thấp, bùn ở bể lắng thứ cấp chuyển sang màu xám do thiếu oxy; nếu thiếu oxy kéo dài sẽ chuyển sang màu đen, thường kèm theo sủi bọt nhỏ. Chất lượng nước thải có màu sắc lớn, màu hơi vàng, mùi nước thải nồng nặc, bề mặt ít bọt và nhỏ hơn.

5) Thời gian lưu bùn trong bể lắng thứ cấp

Khi nồng độ bùn trong bể lắng thứ cấp cao thì lượng oxy hòa tan (DO) càng thấp thì thời gian lưu của bùn càng dài. Do đó, tốc độ khử nitrat trong bể lắng cao và lượng khí nitơ tạo ra trong quá trình khử nitrat là lớn.

Khi độ sâu của bể lắng tăng lên, nồng độ bão hòa của khí nitơ trong bể lắng thứ cấp cũng tăng lên. Tại đầu ra của thiết bị làm sạch thứ cấp, khi áp suất nước giảm, nồng độ bão hòa của khí nitơ giảm, giải phóng khí nitơ và gây ra hiện tượng nổi bùn.

Làm thế nào để ngăn chặn bùn nổi trong bể lắng thứ cấp?

Để ngăn chặn sự nổi bùn, có thể thực hiện các biện pháp sau:

1) Đảm bảo sự ổn định tương đối của lượng nước

Khi thiết kế nhà máy xử lý nước thải, giếng điều khiển và bể điều chỉnh được bố trí. Bằng cách kiểm soát góc mở của các van, lượng nước vào hệ thống xử lý nước thải được giữ tương đối ổn định. Các biện pháp này đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru, tránh những cú sốc lớn cho hệ thống và đảm bảo sự ổn định trong hoạt động của toàn hệ thống.

2) Duy trì nhiệt độ/độ pH trong phạm vi thích hợp

Dựa trên kinh nghiệm vận hành các nhà máy xử lý nước thải, nhiệt độ có ảnh hưởng nhất định đến các vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Phạm vi nhiệt độ thích hợp cho bùn hoạt tính hiếu khí là từ 20-35°C. Vào mùa hè, khi nhiệt độ cao, ảnh hưởng của nhiệt độ đến vi sinh vật trong bùn hoạt tính và hiệu quả xử lý nước thải là không đáng kể.

Khi thời tiết lạnh, đặc biệt ở những vùng lạnh có nhiệt độ xuống dưới -10°C, hoạt động của vi sinh vật bị ảnh hưởng, dẫn đến hiện tượng giãn nở bùn. Vì vậy, các biện pháp như kiểm soát DO, điều chỉnh nồng độ bùn, dòng hồi lưu bùn và tuổi bùn là cần thiết ở các vùng lạnh phía Bắc để ngăn chặn sự giãn nở của bùn.

Giá trị pH ở đầu vào nước thải thường nằm trong khoảng 7-8 thuận lợi cho việc xử lý vi sinh vật các chất hữu cơ. Nếu giá trị pH của nước thải đầu vào của nhà máy xử lý nước thải dưới 5 thì nên sử dụng tác nhân hóa học để điều chỉnh giá trị pH.

3) Tăng nồng độ oxy hòa tan trong nước thải

Thành phần chính của bùn hoạt tính là các khối vi sinh vật. Khi nguồn cung cấp oxy không đủ, vi khuẩn dạng sợi và nấm sinh sôi nảy nở, dẫn đến bùn bị đóng cục, bùn nổi trong bể lắng thứ cấp và nước thải bất thường.
Oxy có thể ức chế hầu hết các vi khuẩn khử nitrat và một số thành phần của vi khuẩn này cần được tổng hợp trong điều kiện hiếu khí. Tăng nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước vào là một biện pháp hiệu quả để ngăn chặn sự nổi của bùn.
Ngoài ra, việc duy trì mức oxy hòa tan nhất định là điều cần thiết cho quá trình trao đổi chất bình thường của vi sinh vật và đảm bảo chất lượng nước thải đạt tiêu chuẩn. Trong xử lý nước thải thực tế, từ đầu vào đến đầu ra của bể hiếu khí, mức DO (oxy hòa tan) phải tăng dần. Theo kinh nghiệm xử lý nước thải, tại đầu vào bể hiếu khí, DO cần được kiểm soát ở mức trên 0.5 mg/L; ở phần giữa của bể hiếu khí, DO cần được duy trì ở mức trên 2 mg/L.

4) Duy trì nồng độ bùn thích hợp

Khi hiệu suất lắng và độ ổn định của bùn suy giảm, quá trình tạo cặn bùn xảy ra. Khi bùn bị mất đi, nồng độ bùn trong bể lắng thứ cấp giảm. Với tốc độ hồi lưu bùn không đổi, nồng độ bùn trong bể phản ứng sinh học cũng sẽ giảm, tùy thuộc vào mức độ thất thoát bùn hoạt tính và hiệu suất lắng của bùn. Giá trị MLSS (Chất rắn lơ lửng hỗn hợp) giảm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong lò phản ứng sinh học, cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống xử lý nước thải.

Tăng tốc độ hồi lưu bùn là một cách để duy trì nồng độ bùn hoạt tính. Sau khi tăng tốc độ hồi lưu bùn ở bể lắng thứ cấp, lượng nước chảy từ bể phản ứng sinh học về bể lắng cũng tăng lên dẫn đến tải trọng bề mặt của bể lắng tăng, thời gian lắng bùn ngắn hơn, bùn lắng không hoàn toàn.

Dựa trên kinh nghiệm thực tế, có thể khởi động bơm tần số hồi lưu bên ngoài để tăng tỷ lệ bùn hồi lưu bên ngoài. Bằng cách kiểm soát thời gian hoạt động của bơm hồi lưu bên ngoài, tỷ lệ hồi lưu bên ngoài của bùn có thể được duy trì ở mức khoảng 100%. Kiểm soát thời gian hoạt động của máy bơm bùn bể lắng sơ cấp có thể điều tiết việc xả bùn từ bể lắng sơ cấp. Bằng cách kiểm soát thời gian hoạt động của máy bơm bùn, bùn có thể được thải ra kịp thời.

Những biện pháp này cho phép kiểm soát hiệu quả nồng độ và hoạt động của bùn trong lò phản ứng sinh học và tuổi bùn có thể được giữ trong phạm vi thích hợp.

Cách phân biệt bùn nổi do Nitrat với các hiện tượng khác

Hiện tượng	Bùn nổi do Nitrat	Bulking	Bùn nổi do dầu mỡ
Có bọt khí	Có	Không	Không
Bùn nổi theo mảng	Có	Có thể	Có
TSS đầu ra tăng	Có	Có	Có
Blanket dày	Có	Thường có	Không đáng kể
Mùi	Ít	Có thể	Mùi dầu/mỡ
Quan sát dưới kính hiển vi	Bông bùn bình thường	Vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh	Có nhiều dầu mỡ bám

Những sai lầm thường gặp

Chỉ tăng Polymer để ép bùn lắng tốt hơn nhưng không xử lý nguyên nhân khử Nitrat.
Tăng PAC liên tục để giảm TSS đầu ra.
Giảm sục khí vì nghĩ DO cao là nguyên nhân.
Chỉ tăng RAS mà không đánh giá Nitrat, DO và lớp bùn.
Không theo dõi Blanket định kỳ.

Kết luận

Bùn nổi do Nitrat là sự cố vận hành xuất phát từ quá trình khử Nitrat xảy ra trong bể lắng, không phải do bùn "nhẹ" hay "lắng kém". Để xử lý hiệu quả cần xác định đúng nguyên nhân thông qua việc kiểm tra NO₃⁻, DO, chiều cao lớp bùn, lưu lượng bùn hồi lưu (RAS) và hiệu quả vùng Anoxic.

Việc kiểm soát tốt các thông số này sẽ giúp: