Quá trình nitrat hóa ngắn, là một trong những quy trình cốt lõi để loại bỏ nitơ hiệu quả trong xử lý nước thải, hoạt động dựa trên nguyên tắc làm giàu chọn lọc vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) đồng thời ức chế hoạt động của vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) thông qua các điều kiện môi trường và thông số vận hành được kiểm soát. Quá trình này đạt được sự chuyển đổi trực tiếp nitơ amoni thành nitrit. Với những ưu điểm như tiêu thụ năng lượng thấp, chu kỳ phản ứng ngắn và yêu cầu độ kiềm tối thiểu, việc nuôi cấy theo tiêu chuẩn là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động của quy trình ổn định và hiệu quả. Các điểm kỹ thuật chính như sau:
1. Sàng lọc và làm quen bùn cấy
Chất lượng của bùn cấy trực tiếp quyết định hiệu quả khởi động của quá trình nitrat hóa ngắn. Nên ưu tiên bùn hoạt tính từ bể sục khí của nhà máy xử lý nước thải đô thị hoặc bùn nitrat hóa ngắn đã được làm quen, với tỷ lệ lắng bùn (SV30) được duy trì ở mức 20%-30% và nồng độ MLSS từ 3000-5000 mg/L, đảm bảo không có mùi đáng kể và hiệu suất lắng tốt. Thể tích cấy nên được kiểm soát ở mức 15%-20% thể tích hiệu dụng của lò phản ứng. Sau khi cấy, bắt đầu giai đoạn làm quen: đặt nồng độ nitơ amoni đầu vào ban đầu ở mức 50-80 mg/L, duy trì tốc độ tải thể tích là 0,1-0,2 kg NH4+-N/(m³·d). Khi tốc độ loại bỏ nitơ amoni ổn định trên 70%, từ từ tăng nồng độ nitơ amoni đầu vào lên 20%-30% hàng tuần cho đến khi đạt tải thiết kế, từ đó tăng cường khả năng thích ứng với môi trường và hoạt động trao đổi chất của AOB thông qua sự thích nghi theo gradient.
2. Kiểm soát thông số
(1) Kiểm soát nhiệt độ
Nhiệt độ tăng trưởng tối ưu cho AOB là 25-35°C, trong đó tốc độ oxy hóa amoni của nó cao hơn đáng kể so với NOB. Trong quá trình nuôi cấy, sự dao động nhiệt độ của lò phản ứng nên được kiểm soát trong khoảng ±1°C, có thể được duy trì bằng cách sử dụng các thiết bị như bể điều nhiệt hoặc áo gia nhiệt. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 15°C, nên giảm tải lượng đầu vào một cách thích hợp để ngăn chặn sự cố của quá trình do hoạt động của AOB bị ức chế.
(2) Điều chỉnh oxy hòa tan (DO)
Một trong những điểm kiểm soát cốt lõi của quá trình nitrat hóa ngắn là duy trì môi trường ít oxy, với nồng độ oxy hòa tan (DO) được kiểm soát chặt chẽ ở mức 0,5-1,0 mg/L. Điều chỉnh DO chính xác đạt được bằng cách điều chỉnh cường độ sục khí (sử dụng các chế độ sục khí liên tục hoặc gián đoạn cường độ thấp). Môi trường ít oxy ức chế đáng kể sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa hiếu khí (NOB) đồng thời đáp ứng các yêu cầu trao đổi chất vi hiếu khí của vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB). Nếu sử dụng lò phản ứng màng sinh học, môi trường vi hiếu khí bên trong màng sinh học có thể tăng cường hơn nữa sự làm giàu chọn lọc của AOB.
(4) Tỷ lệ dinh dưỡng
Nước thải đầu vào phải đáp ứng các yêu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của AOB, với tỷ lệ nitơ-phốt pho (N:P) được kiểm soát ở mức 10:1. Ngoài ra, các nguyên tố vi lượng như magiê, sắt và mangan nên được bổ sung (với nồng độ tốt nhất là từ 0,1 đến 1,0 mg/L) để cung cấp hỗ trợ đồng yếu tố cần thiết cho quá trình trao đổi chất của AOB. Nên tránh nồng độ cao của các chất độc hại hoặc có hại (ví dụ: kim loại nặng, kháng sinh, v.v.) trong nước thải đầu vào để ngăn chặn sự ức chế không thể đảo ngược hoạt động của vi sinh vật.
III. Giám sát và điều chỉnh quá trình nuôi cấy
Trong thời gian nuôi cấy, phải thiết lập một cơ chế giám sát thường xuyên để đo nồng độ nitơ amoni, nitơ nitrit và nitơ nitrat trong nước thải đầu vào và đầu ra hàng ngày, đồng thời giám sát pH, oxy hòa tan (DO), nhiệt độ, độ kiềm và các thông số khác.
Trong giai đoạn đầu (1-2 tuần), trọng tâm nên là tốc độ loại bỏ nitơ amoni và hiệu suất lắng bùn. Nếu tốc độ loại bỏ nitơ amoni dưới 50%, nên duy trì tải hiện tại cho đến khi quần thể vi sinh vật thích nghi.
Trong giai đoạn chuyển tiếp (2-4 tuần), mối quan tâm chính là giám sát tốc độ tích tụ nitrit (NO2--N/(NO2--N+NO3--N)). Khi tốc độ tích tụ ổn định ở mức 80% trở lên, có thể tăng dần tải.
Trong giai đoạn ổn định (4-6 tuần), điều cần thiết là phải đảm bảo rằng tốc độ tích tụ nitrit là ≥90% và tốc độ loại bỏ nitơ amoni là ≥85%, cho thấy hệ thống nitrat hóa ngắn đã đạt đến trạng thái trưởng thành.
Nếu sự phát triển quá mức của NOB (sự gia tăng liên tục nồng độ nitơ nitrat) xảy ra trong quá trình nuôi cấy, có thể thực hiện các biện pháp như tăng nhiệt độ (lên 30-35°C), rút ngắn thời gian sục khí hoặc thực hiện tình trạng thiếu ăn trong thời gian ngắn (dừng nước thải đầu vào trong 1-2 ngày) để ức chế hoạt động của NOB. Nếu hoạt động của AOB giảm, cần phải điều tra xem các thông số như pH, DO và nhiệt độ có lệch khỏi phạm vi tối ưu hay không, điều chỉnh chúng kịp thời và bổ sung chất dinh dưỡng.
IV. Các biện pháp đảm bảo hoạt động của quy trình ổn định
Khi hệ thống nitrat hóa ngắn trưởng thành, điều cần thiết là phải duy trì các thông số vận hành ổn định và tránh những biến động mạnh trong tải lượng đầu vào, nhiệt độ, pH và các yếu tố khác. Nên thực hiện xả bùn thường xuyên để giữ nồng độ MLSS trong khoảng 3000-6000 mg/L, ngăn ngừa sự lão hóa của bùn. Khi có những thay đổi đáng kể về chất lượng nước thải đầu vào, nên áp dụng phương pháp điều chỉnh tải theo từng bước để cho cộng đồng vi sinh vật có thời gian thích nghi. Thông qua các quy trình nuôi cấy theo tiêu chuẩn và kiểm soát vận hành chính xác, có thể đạt được hoạt động ổn định và hiệu quả của quá trình nitrat hóa ngắn, đặt nền tảng cho việc tích hợp các quy trình khử nitơ hoặc anammox sau này.
