Bản chất quá trình XLNT là sự hấp thụ và oxi hóa các chất hữu cơ nhờ hệ vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng dính bám thành các bông bùn hoạt tính. Công trình XLNT theo phương pháp bùn hoạt tính được gọi là bể aeroten, trong đó quá trình cấp khí và trộn bùn hoạt tính với nước thải là quá trình then chốt để tách các chất hữu cơ ra khỏi nước thải. Bể lắng thứ cấp để tách bùn là một công trình cần thiết của hệ thống XLNT bằng bùn hoạt tính. Một phần bùn hoạt tính luôn được tuần hoàn về aeroten để đảm bảo cho quá trình xử lý diễn ra ổn định.

Công trình aeroten dùng để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ ô xy hóa sinh hóa và ô xy hóa amoni thành nitrat (nitrat hóa). Khi dùng aeroten chỉ để nitrat hóa thì hàm lượng BOD5 trong nước thải phải nhỏ hơn 2  mg/L.

Theo chế độ thuỷ động học trong công trình, aeroten chia thành các loại: aeroten đẩy (hoạt động với dòng chảy đều theo nguyên tắc đẩy, thường được gọi là aeroten truyền thống), aeroten trộn (hoạt động theo nguyên tắc xáo trộn hoàn toàn), và aeroten cấp nước theo bậc (cấp nước thải phân tán theo chiều dài công trình). 

Theo quá trình nitrat hóa trong công trình, aeroten được chia thành: aeroten oxy hóa các chất hữu cơ và nitrat hóa cùng một ngăn; aeroten có các ngăn oxy hóa chất hữu cơ và ngăn nitrat hóa riêng biệt.

Theo trạng thái bùn hoạt tính trong công trình, aeroten chia thành: aeroten thổi khí kéo dài trong đó bùn hoạt tính thực hiện các quá trình hấp thụ, oxy hóa chất hữu cơ ngoại bào và nội bào đến mức ổn định trong một công trình và aeroten ổn định tiếp xúc trong đó chỉ diễn ra quá trình hấp thụ và oxy hóa ngoại bào bùn hoạt tính đã được ổn định  Để xử lý kết hợp các chất hữu cơ và nitơ, các công trình bùn hoạt tính phải tích hợp được các quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong đó. Hệ thống bùn hoạt tính hoạt động theo nguyên tắc yếm khí - hiếu khí, gọi tắt là hệ thống bùn hoạt tính AO (A:anaerobic – yếm khí và O: Oxic- hiếu khí) hoặc công trình bùn hoạt tính xử lý theo mẻ kế tiếp nhau (SBR) có thể xử lý đồng thời cả BOD và P. Đối với yêu cầu xử lý đồng thời cả BOD, N và P， nên lựa chọn hệ thống bùn hoạt tính hoạt động theo nguyên tắc yếm khí -thiếu khí-hiếu khí, gọi tắt là hệ thống bùn hoạt tính AAO (A:anaerobic – yếm khí, A:Anoxic- thiếu khí và O: Oxic- hiếu khí) hoặc công trình bùn hoạt tính xử lý theo mẻ kế tiếp nhau (SBR). Các loại công trình này cho phép tiếp nhận nước thải sinh hoạt với hàm lượng chất lơ lửng (SS) trong đó lên đến 200 mg/L 

Các thông số công nghệ của các loại công trình XLNT bằng phương pháp bùn hoạt tính được xác định theo Bảng 1 sau đây.

Bảng 1. Thông số tính toán công trinh bùn hoạt tính

Bể bùn hoạt tính có kích thước cố định, khi đó thời gian làm thoáng cũng cố định ứng với lưu lượng nước đã cho. Như vậy, thời gian để đạt hoạt tính sinh học sẽ bị giới hạn theo sự biến đổi lưu lượng dòng chảy trong bể. Với nước thải sinh hoạt, bể bùn hoạt tính được thiết kế với thời gian trung bình nước lưu lại trong đó và tải trọng trung bình g BOD/m3 bể trong ngày đêm.

Bể bùn hoạt tính là một công trình làm sạch sinh học điển hình và có tính "năng động" nhất. Nó có thể cho phép đều chỉnh nước ra với bất kỳ nồng độ chất bẩn hữu cơ mong muốn - từ cao đến thấp. Bể có thể xử lý từ vài chục m3/ngày (aeroten trộn) đến hàng triệu m3/ngày (aeroten đẩy). Hàm lượng BOD5 sau khi xử lý nằm ở 30 đến 50 mg/l.

Ưu điểm của bể là cấu tạo đơn giản, diện tích xây dựng không lớn và có thể hợp khối với các công trình khác, dễ vận hành và kiểm soát quá trình xử lý.

Nhược điểm của bể aeroten (CAS) là chưa xử lý được nitơ, yêu cầu năng lượng cấp khí lớn, bùn dư hình thành nhiều và thường phải xây dựng 1 đợt. Một trong những bất cập đối với bể bùn hoạt tính là độ không ổn định của chất lượng nước đầu vào dễ gây "sốc sinh học” và tạo nên hiện tưởng "bùn trương” do vi khuẩn dạng sợi phát triển và khó lắng. Vì lý do này cho nên bể bùn hoạt tính chỉ được áp dụng đối với các đô thị lớn, nơi có sự ổn định tương đối về lưu lượng và nồng độ chất bẩn.

Bể aeroten thổi khí kéo dài cũng là một dạng của bể XLNT theo nguyên lý bùn hoạt tính. Thuận lợi chính của công nghệ này là ít tốn diện tích đất xây dựng và lượng bùn phát sinh ra ít. Bất lợi chính là chi phí xây dựng tốn kém, chi phí điện cao và quản lý vận hành khá phức tạp.

Quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính được phát triển ở các nước từ đầu thế kỷ 2 , đến nay đã có nhiều thay đổi cơ bản và hoàn chỉnh, phát triển theo chiều hướng nghiên cứu, thiết kế cấu tạo và quản lý.

Bể bùn hoạt tính hệ AO gồm 2 ngăn: ngăn thiếu khí (A- anoxic) và ngăn hiếu khí (Ooxic). Ngăn thiếu khí thực hiện quá trình nitrat hóa và oxy hóa thiếu khí các chất hữu cơ với yêu cầu có nitrat từ bùn bể lắng thứ cấp hồi lưu về và hỗn hợp bùn nước từ ngăn hiếu khí tuần hoàn nội tại sang. Hàm lượng oxy hòa tan ở ngăn thiếu khí duy trì ở mức DO≤ ,5 mg/L. Ở ngăn hiếu khí, quá trình oxy hóa hiếu khí tiếp tục các chất hữu cơ và nitrat hóa được thực hiện với DO≥2 mg/L. Sơ đồ hoạt động của aeroten hệ AO được nêu trên Hình 2.

Bể bùn hoạt tính hệ AO có thể xử lý được các chất hữu cơ (BOD) và nitơ. Nước thải sau xử lý có BOD≤2 mg/L. Tuy nhiên để xử lý hiệu quả nit ơ, yêu cầu phải đảm bảo trong nước thải đầu vào hệ thống là BOD5/TN> 3, độ kiềm ≥ mg CaCO3/L. 

Bể bùn hoạt tính hệ AO có các ưu điểm như: hiệu suất xử lý BOD lên đến 90%; loại bỏ được Nitơ trong nước thải; hận hành đơn giản, an toàn; thích hợp với nhiều loại nước thải; có thể nâng cấp công suất công trình đến 20% mà không phải gia tăng thể tích bể,…

Những nhược điểm cơ bản của bể bùn hoạt tính hệ AO giống như bể aeroten CAS. Mặt khác đối với bể này, yêu cầu chất lượng nước thải đầu vào nghiêm ngặt để có thể thực hiện quá trình nitrat hóa và khử nitrat.

Mương ôxy hóa (MOX) hoạt động theo nguyên lý bùn hoạt tính, được dùng để xử lý nước thải bậc hai hay bậc ba.

Trong mương diễn ra các quá trình hiếu khí và thiếu khí kế tiếp, hoạt động theo nguyên lý thổi bùn hoạt tính kéo dài nên công trình này có thể xử lý cả các chất hữu cơ và cả nitơ. Quá trình thổi khí để khử BOD và ổn định bùn nhờ hô hấp nội bào của vi sinh vật, vì vậy bùn hoạt tính dư giảm đáng kể và không gây mùi hôi khó chịu. Nước thải được xử lý trong một mương liên hoàn có độ sâu khoảng 1,5 m. Trong mương có một hoặc một số máy sục khí đặt nằm ngang hoặc thẳng đứng. Loại mương nếu có máy khuấy trục đứng và bộ phận hướng dòng thì độ sâu công tác có thể tới 3 m hoặc lớn hơn, cho phép XLNT đến công suất hàng chục nghìn m3/ngày. Kênh có tải trọng chất bẩn hữu cơ thấp, thời gian nước lưu lớn từ 1 - 3 giờ, bùn lưu giữ trong kênh từ 10 - 33 ngày. Hiệu quả khử BOD có thể đạt 85 - 95%, xử lý ni tơ đạt 40 - 80%.

MOX có lượng bùn dư thấp, khá ổn định, hiệu quả xử lý BOD cao Công nghệ XLNT có mương ôxi hóa có khả năng đáp ứng được tiêu chuẩn xả nước thải. Công trình MOX dễ vận hành, lượng bùn phát sinh ít và không cần ổn định, chi phí xây dựng thấp. Ưu điểm cụ thể của giải pháp sử dụng công nghệ MOX là chi phí sử dụng năng lượng cấp khí và không cần sử dụng bể lắng đợt 1. 

Công trình có nhược điểm là và có diện tích chiếm đất tương đối lớn (đặc biệt trường hợp độ sâu bể chỉ 1,5 m và khuấy trục ngang không kết hợp bổ sung khí nén). Nhược điểm là xây dựng hở nên có thể gây mùi hôi dễ phát tán ra môi trường xung quanh khi vận hành không đảm bảo. Hiện nay có hai kiểu MOX chính là kiểu Pasver sử dụng khi công suất nhỏ và kiểu Carrousel sử dụng khi công suất lớn. MOX thực sự tối ưu khi nồng độ nhiễm bẩn cao và yêu cầu mức độ xử lý cũng cao, còn trường hợp ngược lại thì phải cân nhắc kỹ. 

Bể SBR cũng là một dạng của bể aeroten nhưng hoạt động theo mẻ với 5 quá trình: cấp nước thải, sục khí, lắng tĩnh, gạn nước và gạn bùn. Nhờ các quá trình này, nước thải vừa được xử lý CBOD (trong giai đoạn hiếu khí) vừa được xử lý nitơ thông qua quá trình khử nitrat (trong giai đoạn thiếu khí). Do hoạt động gián đoạn nên số ngăn tối thiểu của bể là 2. 

Hệ thống SBR truyền thống gồm: Trạm bơm để bơm nước từ công trình đầu mối về công trình xử lý tiếp theo (Bể xử lý sơ bộ). Bể xử lý sơ bộ ở đây chủ yếu đóng vai trò là bể lắng cát để tăng hiệu quả xử lý cho công trình xử lý sinh học. Nước sau bể xử lý sơ bộ được dẫn vào bể điều hòa. Bể điều hòa có chức năng điều hòa và dự trữ lưu lượng nước thải do bể SBR làm việc theo mẻ. Sau đó bơm nước từ bể điều hòa vào bể SBR. Trong bể diễn ra các quá trình xử lý sinh học, lắng, gạn và xả bùn. Để ổn định chất lượng nước thải đầu ra, nước sau bể SBR nên được đưa qua hồ để ổn định và sau khi được khử trùng sẽ được xử ra môi trường.

Đối với công trình SBR truyền thống, công suất xử lý nước thải tương đối hạn chế (thường dưới 10.000 m3/ngày), vì vậy trong những năm gần đây công nghệ SBR được cải tiến (ASBR) và có thể nâng công suất lên đến hàng trăm nghìn m3/ngày. Về cơ bản loại ASBR này có cấu tạo tương tự bể SBR thông thường, tuy nhiên có bổ sung thêm ngăn Selector.

Trong công nghệ này bùn hoạt tính được tuần hoàn lại ngăn Selector, trộn cùng với dòng nước thải đầu vào. Do có bổ sung thêm ngăn selector nên thời gian xử lý nước thải ngắn hơn và hiệu suất xử lý cao hơn so với SBR thông thường nên phù hợp với nhà máy XLNT công suất trung bình và lớn (có thể tới 500.000 m3/ngđ). Do tiết kiệm được bể lắng và thời gian xử lý nên diện tích chiếm đất ít nên rất phù hợp với các khu đô thị mà diện tích đất giành cho các trạm XLNT hạn hẹp. Hệ thống ASBR (cải tiến) không nên dùng cho công suất dưới 1 m3/ngày vì phải bổ sung thêm ngăn selector (phức tạp và tốn kém). Hiệu quả XLNT cao, công trình dễ xây dựng hợp khối và dễ khử mùi, diện tích đất xây dựng không lớn. Tuy nhiên chi phí đầu tư xây dựng tương đối lớn và vận hành phức tạp nếu như quá trình XLNT không được tự động hóa.

Trong 4 công nghệ thuộc nhóm công nghệ bùn hoạt tính thì mương oxy hóa, SBR, bể AO đều có khả năng xử lý Nitơ tốt vì kết hợp các quá trình hiếu khí, thiếu khí luân phiên để xử lý BOD5 đồng thời với nitrat hóa và khử Nitơ; CAS khử Nitơ kém. Dựa vào các số liệu các dự án thoát nước và XLNT cũng như các nghiên cứu tính toán của Syed R. Qasim, 1999, Lawrence J. và Pakenas P.E.,2002, sơ bộ tổng hợp hiệu quả kinh tế kỹ thuật các công nghệ bùn hoạt tính trong Bảng 2

Bảng 2. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật các công nghệ CAS, AO, MOX và ASBR để xử lý nước thải sinh hoạt

 

Bảng 3. Đánh giá mức độ khử Nitơ đối với các công nghệ SBR, CAS và A2O

Như vậy, mỗi loại công trình xử lý sinh học có một số ưu điểm riêng. Tùy thuộc vào điều kiện của từng địa phương/ đô thị mà lựa chọn loại công nghệ và công trình như thế nào cho hợp lý, ngoài yếu tố kỹ thuật là đảm bảo hiệu quả XLNT còn phải hài hòa giữa 3 yếu tố kinh tế là: diện tích đất yêu cầu – kinh phí đầu tư – chi phí vận hành bảo trì.