Hồ sinh học là hệ thống các hồ nhân tạo bao gồm một hoặc một chuỗi các hồ kỵ khí (anaerobic), hồ tùy tiện (facultative) và hồ làm sạch triệt để (maturation ponds). 

Trong đó: Hồ kỵ khí sẽ thực hiện xử lý sơ cấp các chất rắn lơ lửng và một phần chất hữu cơ (BOD). Hồ tùy tiện sẽ thực hiện xử lý cấp hai. Hầu như toàn bộ phần BOD còn lại sau xử lý sơ cấp được xử lý nhờ hoạt động cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn dị dưỡng. Hồ làm sạch triệt sẽ tiến hành xử lý cấp ba. Tại đây, các vi sinh vật gây bệnh và các chất dinh dưỡng (đặc biệt là nitơ) sẽ được xử lý và loại bỏ.

Hình 1. Hệ thống Hồ sinh học ở Fortaleza, phía Bắc Brazil với lưu lượng dòng vào là 10,000 m3/ngày.

Các quá trình và phản ứng xảy ra trong hồ sinh học là: 

1. Quá trình lắng
2. Phân hủy hiếu khí
3. Lên men yếm khí
4. Cộng sinh giữa vi khuẩn và tảo
5. Hấp thụ và chuyển hóa oxy qua bề mặt nước
6. Hoạt động của vi khuẩn lưu huỳnh
7. Quá trình bay hơi
8. Quá trình thẩm thấu.

Hồ kỵ khí là loại hồ xử lý nước thải nhờ các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy tiện phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải ở điều kiện không có oxy hòa tan với nhiệt độ, pH, … thích hợp để tạo ra các sản phẩm đơn giản (chủ yếu là CO2, CH4).

Trong đó, nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình thủy phân và lên men bao gồm các vi khuẩn kỵ khí và tùy tiện. Ví dụ: Clostridium, Lactobacillus, Actinomycetes, Staphylococcus, Escherichia coli. Nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình metan hóa được phân loại là nhóm vi sinh vật cổ (archea), là những vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt.

• Không đòi hỏi bất kỳ thiết bị phụ trợ nào và hầu như không tiêu tốn năng lượng
• Sản xuất bùn sinh học ít hơn
• Sản xuất khí metan, một nguồn năng lượng tiềm năng
• Tiêu thụ CO2 trong không khí.

• Thời gian bắt đầu kéo dài để phát triển đủ lượng sinh khối ổn định
• Có thể yêu cầu bổ sung độ kiềm
• Không thể loại bỏ nito và photpho sinh học
• VK metan rất nhạy cảm với điều kiện môi trường (pH, nhiệt độ) và các chất độc hại có thể có trong nước thải. Nếu tốc độ sinh trưởng của chúng bị suy giảm thì dẫn tới sự tích tụ các axit sản sinh trong các giai đoạn
• Phát thải ra khí gây mùi.

Đầu ra có nồng độ BOD cao nên vẫn cần tiếp tục xử lý. Sau hồ kỵ khí sẽ cần sử dụng hồ tùy tiện để tiếp tục xử lý. Việc kết hợp hồ kỵ khí với hồ tùy tiện giúp tiết kiệm diện tích mặt bằng hồ hơn so với trường hợp chỉ sử dụng hồ tùy tiện để loại bỏ BOD. Hồ xử lý kỵ khí được ứng dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp chứa hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải lò mổ, chăn nuôi lợn, chế biến sữa, công nghiệp đồ uống.

Hồ tùy tiện là loại hồ xử lý chất thải đơn giản nhất. Quá trình xử lý chỉ là giữ nước thải trong hồ trong một thời gian đủ dài để quá trình ổn định chất hữu cơ diễn ra một cách tự nhiên.

Hình 2. Quá trình hoạt động của hồ tuỳ tiện

• Thi công, xây dựng và vận hành đơn giản
• Chi phí thấp và vận hành ổn định (không gặp vấn đề trong hỏng hóc thiết bị).

• Quá trình diễn ra tự nhiên nên tốc độ xử lý chậm, thời gian lưu lâu, vì vậy cần diện tích đất lớn.
• Các quá trình sinh học bị ảnh hưởng lớn bởi yếu tố nhiệt độ (khó kiểm soát).

Phương pháp xử lý nước thải bằng cách sử dụng hồ tùy tiện thường được sử dụng khi có sẵn diện tích đất lớn hoặc giá mặt bằng hợp lý, khí hậu thích hợp và phương pháp vận hành xử lý không phức tạp cũng như công nhân không cần được đào tạo đặc biệt.

Hồ khuấy trộn một phần còn gọi là hồ sục khí tùy tiện. Hồ có sử dụng thêm các thiết bị cấp khí để tăng cường oxy trong nước, những các thiết bị này không đủ lớn để duy trì toàn bộ các chất rắn ở trạng thái lơ lửng. Khu vực có thiết bị sục khí (đường kính nhỏ hơn) là vùng khuấy trộn sẽ đảm bảo sự khuấy trộn của chất lỏng, cho phép duy trì chất rắn ở dạng huyền phù. Vùng oxy (khu vực có đường kính lớn hơn) là khu vực đảm bảo sự khuếch tán oxy trong chất lỏng, nhưng không đảm bảo sự trộn lẫn.

Hình 3. Minh họa vùng khuấy trộn và vùng oxy hóa

Hồ khuấy trộn hoàn toàn hoạt động trong điều kiện hiếu khí. Thiết bị cấp khí không chỉ đảm bảo cung cấp oxy mà còn khuấy trộn duy trì các chất rắn lơ lửng trong nước. Do hàm lượng chất rắn lơ lửng đầu ra khỏi hồ vẫn cao nên hồ lắng được bố trí sau hồ sục khí khuấy trộn hoàn toàn để lắng và ổn định các chất rắn.

Các hồ tùy tiện thông thường bị hoạt động quá tải mà không còn diện tích để mở rộng có thể được chuyển thành hồ sục khí tùy tiện hoặc hồ khuấy trộn hoàn toàn bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cấp khí, thiết bị khuấy trộn. Tuy nhiên việc cải tiến này cần phải được dự tính từ trước ngay trong quá trình thiết kế hồ tùy tiện, để độ sâu hồ có thể phù hợp với các thiết bị cấp khí được lắp đặt.

Hình ảnh thiết bị sục khí nổi

• Diện tích hồ được giảm đi đáng kể so với hồ tùy tiện thông thường
• Giảm hiện tượng hoạt động quá tải cho hồ
• Đảm bảo khuấy trộn đều lượng chất thải lơ lửng trong hồ, tạo điều kiện nâng cao hiệu quả xử lý và tránh gây ra vùng nước chết ở đáy hồ.

• Quá trình vận hành ít đơn giản hơn so với hồ tùy tiện thông thường
• Sự tiêu tốn năng lượng trong quá trình cấp khí
• Cần tiến hành bảo dưỡng thiết bị định kỳ.