Có một thông số quan trọng cơ bản trong thiết kế và kiểm soát hệ thống bùn hoạt tính là tuổi bùn. Nó chi phối khối lượng bùn thải ra hàng ngày từ hệ thống. Tuổi bùn có thể thay thế bằng tỷ lệ Thực phẩm trên Vi sinh vật (tỷ lệ F/M, kg BOD hoặc COD tải mỗi ngày trên mỗi kg MLSS hoặc MLVSS trong bể phản ứng) hoặc tương đương Hệ số tải (LF) làm tham số tham chiếu và kiểm soát, chẳng hạn như cần xem xét quá trình nitrat hóa.

Source: Henze, M., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., & Brdjanovic, D. (2011). Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design.

Tỷ lệ F/M trong nước thải là gì?

Tỷ lệ F:M trong nước thải là tỷ lệ thức ăn (Food) / vi sinh (Microorganism) hoặc thức ăn (Food)/ khối lượng (Mass), có thể được đo lường và là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành bể hiếu khí

Source: The Nalco Water Handbook (2nd ed.). (1998).

Để quá trình bùn hoạt tính hoạt động tốt cần phải có sự cân bằng giữa thức ăn đi vào bể sinh học hiếu khí và vi sinh vật trong bể. Tỷ lệ F: M cao là dấu hiệu cho thấy khối lượng thực phẩm (chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải, được đo bằng BOD, COD hoặc TOC)  lớn hơn so với số lượng vi sinh vật có sẵn để tiêu thụ thực phẩm đó. 

Điều gì xảy ra khi tỷ lệ F/M cao và thấp?

Khitỷ lệ F/M cao, vi khuẩn hoạt động mạnh và nhân lên nhanh chóng nhưng chúng cũng phân tán nhiều hơn trong các bể sinh học. Do sự phân tán đó, F/M cao sẽ tạo ra một môi trường mà vi khuẩn sẽ không tạo thành một bông tốt, lớn và dày đặc. Vì lý do đó, tỷ lệ F/M cao thường sẽ dẫn đến bùn lắng kém trong bể lắng thứ cấp và nước thải đầu ra bị đục.

Tỷ lệ F/M thấp có nghĩa là có nhiều vi sinh vật nhưng lượng thức ăn lại hạn chế. Chỉ khi nguồn cung cấp thức ăn bị hạn chế, vi khuẩn mới bắt đầu phát triển một lớp chất nhờn dày hơn, mất khả năng vận động và bắt đầu kết tụ lại với nhau để tạo thành một bông dày đặc sẽ lắng xuống tốt trong chất nhờn. Hình dưới đây cho thấy quần thể vi khuẩn có liên quan như thế nào đến nguồn cung cấp thực phẩm. Như bạn có thể thấy, tỷ lệ F/M rất cao hoặc tỷ lệ F/M rất thấp sẽ làm các bông cặn phân tán, không lắng tốt trong bể lắng thứ cấp.

Cách tính tỷ lệ F/M trong nước thải như thế nào?

Tính toán tỷ lệ F/M về mặt công thức thì dễ dàng nhưng việc có được đầu vào chính xác làm tăng đáng kể khó khăn trong việc xác định tỷ lệ F: M “đúng”. Tôi sẽ thảo luận chi tiết về vấn đề này một chút sau. Để tính toán tỷ lệ F: M, cần có hai đại lượng: 1) pound (kg) vật liệu hữu cơ đi vào lò phản ứng sinh học và 2) pound (kg) vi sinh vật trong lò phản ứng sinh học.

Phương trình tiêu chuẩn để tính toán tỷ lệ giữa thực phẩm trên khối lượng (vi sinh vật) được trình bày trong phương trình dưới đây. Lưu ý rằng trong phương trình này, tải lượng hữu cơ, thực phẩm, dựa trên nồng độ nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) trong năm ngày và nồng độ vi sinh vật dựa trên nồng độ chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (MLVSS) của chất lỏng hỗn hợp. Đây là dạng phổ biến nhất của phương trình tỷ lệ F/M trong đó “MG” là triệu gallon.

Công thức tính tỷ lệ F/M: 

Tính khối lượng thức ăn F:

F = BOD5 (mg/L) x Flow (triệu gallon/ ngày) * 8.34 (lb/gallon)

Trong đó đơn vị của các thành tố như sau:

• BOD5: mg/L (Bài chi tiết cách đo BOD5: 9 bước xác định BOD trong nước thải)
• Flow (lưu lượng nước thải đầu vào): triệu gallon/ ngày. 1 gallon = 3.78541 lít
• 8.34 là khối lượng tính theo lb (1 lb =  0.4536 kg) của một gallon nước thải.

Tính lượng vi sinh vật M:

M = MLVSS (mg/L) x Aeration Volume (triệu gallon/ ngày) x 8.34

Trong đó đơn vị của các thành tố như sau:

• MLVSS: mg/L (Bài chi tiết về MLVSS: Sự tương quan giữa SV30, MLVSS, MLSS)
• Aeration Volume (thể tích bể hiếu khí): triệu gallon/ ngày. 1 gallon = 3.78541 lít
• 8.34 là khối lượng tính theo lb (1 lb =  0.4536 kg) của một gallon nước thải.

Mặc dù phương trình F/M không phức tạp, nhưng nó có hai biến được đánh dấu màu đỏ ở trên. Đối với hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, bạn rất có thể sẽ có tất cả dữ liệu nồng độ hữu cơ được đo dưới dạng BOD5 mà bạn có thể đưa trực tiếp vào phương trình. Nhưng đối với một hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, thông thường nồng độ hữu cơ sẽ được đo dưới dạng nhu cầu oxy hóa học (COD) hoặc thậm chí là tổng cacbon hữu cơ (TOC). Bạn không thể chỉ thay thế nồng độ BOD bằng nồng độ COD hoặc TOC trong công thức ở trên để xác định xem bạn có đang hoạt động trong phạm vi chấp nhận được cho loại bể sinh học của mình hay không, như thể hiện trong bảng dưới đây.

Xem thêm: Cách nuôi vi sinh trong nước thải dựa vào tỷ lệ F/M