Máy tính MLVSS cho xử lý nước thải

Chất rắn lơ lửng bay hơi trong bùn hoạt tính (MLVSS) là phần hữu cơ, có khả năng phân hủy sinh học, của chất rắn lơ lửng trong bể sục khí bùn hoạt tính. Đại lượng này được dùng làm chỉ số thay thế để đo lượng vi sinh vật đang hoạt động xử lý nước thải. Máy tính này xác định MLVSS từ dữ liệu phòng thí nghiệm bằng phương pháp phần trăm VSS hoặc phương pháp FSS (chất rắn lơ lửng cố định).

MLVSS là gì?

Các nhà máy xử lý nước thải sử dụng quy trình bùn hoạt tính dựa vào vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Hỗn hợp nước, vi sinh vật và chất rắn trong bể sục khí được gọi là hỗn dịch. Một phần chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp này là vật chất hữu cơ, chủ yếu gồm vi sinh vật sống và chết. Phần hữu cơ này là chất rắn lơ lửng bay hơi, và khi được đo trong hỗn dịch, nó được gọi là MLVSS.

Phần còn lại của chất rắn lơ lửng là vật chất vô cơ, chẳng hạn như sạn, cát và khoáng chất. Phần vô cơ này được gọi là chất rắn lơ lửng cố định (FSS), hoặc MLFSS khi được đo trong dịch bùn, vì nó không bị đốt cháy khi gia nhiệt. MLVSS và MLFSS hợp lại thành chất rắn lơ lửng trong dịch bùn (MLSS), tức nồng độ tổng chất rắn lơ lửng trong bể.

$\text{MLSS} = \text{MLVSS} + \text{MLFSS}$

Người vận hành theo dõi MLVSS vì đại lượng này xấp xỉ quy mô của lực lượng sinh học thực hiện quá trình xử lý. Mức MLVSS ổn định thường cho thấy quá trình xử lý ổn định và có thể dự đoán. Sự sụt giảm đột ngột có thể báo hiệu nước vào chứa chất độc, xả bỏ bùn dư quá mức hoặc một trận mưa cuốn sinh khối ra khỏi bể.

Cách tính MLVSS

Có hai cách phổ biến để tính MLVSS; nếu các phép đo trong phòng thí nghiệm chính xác, cả hai phải cho cùng một kết quả.

Phương pháp phần trăm VSS

Một số phòng thí nghiệm báo cáo VSS dưới dạng phần trăm của TSS (tổng chất rắn lơ lửng). Khi đó:

$\text{MLVSS} = \text{TSS} \times \frac{\text{VSS\%}}{100}$

• MLVSS = Chất rắn lơ lửng bay hơi trong dịch bùn (mg/L)
• TSS = Tổng chất rắn lơ lửng (mg/L)
• VSS% = tỷ phần chất rắn lơ lửng có tính bay hơi, thường là 65–85% trong hệ thống bùn hoạt tính thông thường

Phương pháp FSS

Các phòng thí nghiệm khác báo cáo trực tiếp phần cố định (vô cơ). Khi đó, MLVSS được xác định bằng phép trừ:

$\text{MLVSS} = \text{TSS} - \text{FSS}$

Vì VSS và FSS luôn cộng lại bằng TSS, công thức này cho cùng kết quả như phương pháp phần trăm khi các phép đo cơ sở phù hợp. Nếu hai phương pháp cho kết quả chênh lệch đáng kể đối với cùng một mẫu, cần kiểm tra dữ liệu phòng thí nghiệm hoặc việc xử lý mẫu.

Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: phương pháp phần trăm VSS. Người vận hành đo được TSS là 3.500 mg/L trong bể sục khí, với tỷ lệ VSS là 75%.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 \times \frac{75}{100} = 2{,}625 \text{ mg/L}$

Ví dụ 2: phương pháp FSS. Cùng bể đó cũng được đo trực tiếp: TSS là 3.500 mg/L và FSS là 875 mg/L.

$\text{MLVSS} = 3{,}500 - 875 = 2{,}625 \text{ mg/L}$

Hai phương pháp cho kết quả phù hợp như dự kiến, vì 875 mg/L FSS đúng bằng 25% của 3.500 mg/L TSS.

Cách sử dụng máy tính này

1. Nhập giá trị tổng chất rắn lơ lửng (TSS) theo đơn vị mg/L.
2. Chọn phương pháp tính: "Dùng phần trăm VSS" hoặc "Dùng chất rắn lơ lửng cố định (FSS)".
3. Nhập giá trị thứ hai: phần trăm VSS (0-100%) hoặc giá trị FSS theo đơn vị mg/L.
4. Đọc kết quả MLVSS theo đơn vị mg/L, cùng với công thức và các số liệu đã dùng.

Máy tính kiểm tra để bảo đảm TSS bằng hoặc lớn hơn 0, phần trăm VSS nằm trong khoảng từ 0 đến 100 và FSS không vượt quá TSS, vì FSS là một phần của TSS. Nếu một phép kiểm tra không đạt, máy tính sẽ hiển thị thông báo giải thích cần sửa điều gì.

Tỷ lệ MLVSS/MLSS

Trong một nhà máy bùn hoạt tính thông thường, tỷ lệ MLVSS/MLSS thường nằm trong khoảng từ 0,65 đến 0,85, nghĩa là 65–85% chất rắn lơ lửng là chất hữu cơ. Tỷ lệ giảm xuống dưới khoảng này có thể cho thấy chất rắn trơ đang tích tụ hoặc có thêm vật chất vô cơ đi vào từ nguồn công nghiệp. Tỷ lệ gần giới hạn trên thường có nghĩa là sinh khối chủ yếu là hữu cơ và đang hoạt động.

Vì sao MLVSS quan trọng đối với việc kiểm soát quy trình

MLVSS được dùng trong một số phép tính mà người vận hành sử dụng hằng ngày:

• Tỷ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M): so sánh tải lượng hữu cơ đi vào với lượng sinh khối sẵn có để xử lý tải lượng đó.
• Thời gian lưu chất rắn (SRT), còn gọi là tuổi bùn: khoảng thời gian sinh khối lưu lại trong hệ thống; đại lượng này ảnh hưởng đến độ ổn định xử lý và khả năng loại bỏ amoniac (quá trình nitrat hóa).
• Sản lượng bùn: nhìn chung, càng nhiều sinh khối thì càng có nhiều bùn cần xả bỏ và xử lý.
• Nhu cầu oxy: sinh khối cần oxy để hoạt động, vì vậy mức tiêu thụ năng lượng sục khí nhìn chung tỷ lệ với MLVSS.

Các phương pháp phòng thí nghiệm tiêu chuẩn cho MLVSS được mô tả trong Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Phương pháp 2540E) và Phương pháp EPA 160,4.

Cách tính tỷ lệ F/M

$\text{Tỷ lệ F/M} = \frac{\text{Tải lượng BOD của nước vào (kg/ngày)}}{\text{Khối lượng MLVSS trong bể (kg)}}$

Ví dụ. Một nhà máy có các giá trị sau:

• Lưu lượng nước vào = 10.000 m³/ngày
• BOD của nước vào = 250 mg/L
• Thể tích bể sục khí = 2.000 m³
• MLVSS = 2.500 mg/L

Vì 1 mg/L trong dòng chảy đo bằng m³/ngày tương đương với 1 gam khối lượng mỗi ngày, tải lượng theo kg/ngày được tính bằng cách nhân rồi chia cho 1.000:

• Tải lượng BOD của nước vào = 10.000 m³/ngày × 250 mg/L ÷ 1.000 = 2.500 kg/ngày
• Khối lượng MLVSS = 2.000 m³ × 2.500 mg/L ÷ 1.000 = 5.000 kg
• Tỷ lệ F/M = 2.500 kg/ngày ÷ 5.000 kg = 0,5 mỗi ngày

Một nhà máy bùn hoạt tính thông thường thường vận hành với tỷ lệ F/M từ 0,2 đến 0,6 mỗi ngày. Tỷ lệ quá cao có thể gây hiện tượng nở bùn do vi khuẩn dạng sợi, trong đó vi khuẩn dạng sợi làm bùn lắng kém. Tỷ lệ quá thấp gây lãng phí năng lượng sục khí cho sinh khối còn rất ít thức ăn để tiêu thụ.

Khoảng vận hành điển hình

Các bảng thiết kế được công bố thường đưa ra nồng độ tổng chất rắn (MLSS) thay vì phần bay hơi. MLVSS là phần bay hơi của các giá trị này, vì vậy mỗi khoảng tương ứng khoảng 65–85%.

Bể phản ứng sinh học màng có thể vận hành với nồng độ chất rắn cao hơn nhiều vì chúng tách chất rắn bằng màng thay vì dựa vào quá trình lắng trọng lực trong bể lắng.

Cách đo MLVSS trong phòng thí nghiệm

Quy trình tiêu chuẩn có hai bước gia nhiệt:

1. Bước TSS. Một thể tích xác định của hỗn dịch được lọc qua bộ lọc sợi thủy tinh đã cân trước, sấy ở 103–105°C trong ít nhất một giờ, làm nguội rồi cân. Khối lượng tăng thêm là TSS (hoặc MLSS khi mẫu là hỗn dịch).
2. Bước nung. Cùng màng lọc đó được nung trong lò ở 550 °C trong 15–20 phút. Vật chất hữu cơ bị đốt cháy, để lại tro vô cơ. Màng lọc được làm nguội và cân lại.
3. Kết quả. Khối lượng mất đi trong quá trình nung là phần bay hơi, hữu cơ, tức MLVSS.

Nhiệt độ lò rất quan trọng. Standard Methods quy định bước nung ở 550 °C với dung sai 50 °C. Nếu nhiệt độ cao hơn, các muối cacbonat vô cơ như magie cacbonat bắt đầu phân hủy, làm tăng khối lượng mất đi đo được và cho kết quả phần bay hơi cao giả tạo. Nếu nhiệt độ thấp hơn, vật chất hữu cơ có thể không bị đốt cháy hoàn toàn.

Các phương pháp thay thế MLVSS

MLVSS được sử dụng rộng rãi vì đơn giản và đáng tin cậy, nhưng các phương pháp khác có thể đo sinh khối cụ thể hơn:

• ATP (adenosine triphosphate) đo một phân tử chỉ có trong tế bào sống, nên đếm được sinh khối hoạt động mà không tính vật chất chết. Phương pháp này cần một máy phân tích chuyên dụng.
• Đo hô hấp đo tốc độ sinh khối tiêu thụ oxy, qua đó cho thấy trực tiếp hoạt tính sinh học. Phương pháp này hữu ích để kiểm tra liệu nước vào có độc đối với sinh khối hay không.
• Định lượng DNA và FISH (lai huỳnh quang tại chỗ) xác định và đếm các vi sinh vật cụ thể. Đây chủ yếu là các công cụ nghiên cứu, hữu ích để truy tìm nguyên nhân gây phồng bùn dạng sợi.

Các phương pháp này cho nhiều thông tin chi tiết hơn nhưng tốn kém và mất nhiều thời gian hơn, vì vậy MLVSS vẫn là tiêu chuẩn để kiểm soát quy trình thường xuyên.

Các câu hỏi thường gặp

Sự khác nhau giữa MLSS và MLVSS là gì? MLSS là tổng chất rắn lơ lửng trong bể sục khí, bao gồm cả vật chất hữu cơ và vô cơ. MLVSS chỉ là phần hữu cơ. MLSS bằng MLVSS cộng MLFSS (chất rắn lơ lửng cố định trong dịch bùn).

Tỷ lệ MLVSS/MLSS điển hình là bao nhiêu? Trong nhà máy bùn hoạt tính thông thường, tỷ lệ này thường từ 0,65 đến 0,85 (65-85%). Tỷ lệ thấp hơn cho thấy hỗn hợp chứa nhiều vật chất vô cơ hơn.

MLVSS ảnh hưởng đến tỷ lệ F/M như thế nào? MLVSS là mẫu số trong tỷ lệ F/M. Với cùng một tải lượng hữu cơ, MLVSS cao hơn sẽ cho tỷ lệ F/M thấp hơn. MLVSS thấp hơn sẽ cho tỷ lệ F/M cao hơn; nếu tăng quá cao, điều này có thể thúc đẩy vi khuẩn dạng sợi lắng kém.

Điều gì khiến MLVSS giảm đột ngột? Các nguyên nhân thường gặp gồm xả bỏ bùn dư quá mức, vật chất độc trong nước vào làm chết sinh khối, mưa lớn cuốn sinh khối ra khỏi bể và nguồn thức ăn thấp trong thời kỳ tải lượng nhẹ, chẳng hạn như các kỳ nghỉ.

MLVSS có thể quá cao không? Có. MLVSS cao làm tăng nhu cầu oxy và do đó tăng chi phí năng lượng sục khí, có thể làm bể lắng thứ cấp quá tải chất rắn và hạn chế oxy tiếp cận phần trung tâm của các bông bùn đặc.

Sau khi lấy mẫu bao lâu thì nên đo MLVSS? Standard Methods quy định nên bắt đầu càng sớm càng tốt vì không thể bảo quản chất rắn. Mẫu nên được bảo quản lạnh ở 4 °C, tốt nhất không quá 24 giờ và tuyệt đối không quá 7 ngày.

Tài liệu tham khảo

1. Liên đoàn Môi trường Nước. Operation of Water Resource Recovery Facilities, ấn bản 7. McGraw-Hill Education, 2018.
2. Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, ấn bản 5. McGraw-Hill Education, 2014.
3. Hiệp hội Y tế Công cộng Hoa Kỳ, Hiệp hội Công trình Nước Hoa Kỳ và Liên đoàn Môi trường Nước. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, ấn bản 23, 2017.
4. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ. Wastewater Technology Fact Sheet: Activated Sludge Process. EPA 832-F-00-016.