Đang tải... (xem toàn văn)
Ở những vùng mà các quy định yêucầu chất lượng nước thải cao hơn, xử lý bậc ba cũng được sử dụng để loại bỏ chất rắnlơ lửng còn xót lại và khử trùng.. Xử lý bậc ba là quá trình làm sạch
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA: SINH HỌC -* -
ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NITO TRONG NƯỚCTHẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
Tên sinh viên: Nguyễn Thị Chinh
Số điện thoại: 0973302372
Hà Nội, 22/06/2022
Trang 2Nguyễn Thị Chinh_17001248
MỤC LỤC
I, Tổng quan 3
1,Quá trình Nitrat hóa 4
1.1, Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hóa 5
1.2 Nhược điểm của quá trình nitrat hóa 7
2 Quá trình khử Nitrat 7
2.1 Các vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat 8
2.2 Nhược điểm của quá trình khử nitrat 9
III, Kết luận 10
IV, Nguồn tài liệu tham khaỏ 10
Trang 3Nguyễn Thị Chinh_17001248
I, Tổng quan
Nước trong lòng đất và bề mặt bị ô nhiễm bởi nitơ qua nhiều con đường Việctăng cường sử dụng phân bón trong nông nghiệp đã làm ô nhiễm các nguồn nước mặtvà nước ngầm Hơn nữa, các loại chất thải khác nhau, bao gồm chất thải công nghiệp,chất thải động vật và sinh hoạt, dẫn đến việc nước bị nhiễm nitơ khi những chất thải đóđược thải vào nguồn nước mà không được xử lý Các nhà máy xử lý nước thải đô thị(WWTPs) cũng góp phần nạp nitơ vào nước mặt và nước ngầm với khoảng 80.000tấn / năm Các tiêu chuẩn xả thải nitơ nghiêm ngặt được thực thi ở nhiều quốc gia Vídụ, các nhà máy xử lý nước thải thành phố được phép thải ít hơn 5 mg L -1 amoni và15 mg L -1 tổng nitơ ở Trung Quốc (GB18918-2002) Vì vậy, việc loại bỏ nitơ từ nướcthải là vô cùng quan trọng để bảo vệ nguồn nước, đặc biệt là đối với các vùng đangthiếu nước Hiện tượng phú dưỡng trong các hệ sinh thái nước ngọt là một trongnhững hậu quả trực tiếp và có hại của việc nạp quá nhiều nitơ Hiện tượng phú dưỡnglàm suy giảm hệ sinh thái nước ngọt bằng cách phát triển tảo nở hoa, lan rộng các loàithực vật thủy sinh, làm suy giảm oxy và do đó làm mất đi các loài chủ chốt Hơn nữa,tảo lục lam nở hoa có thể tạo ra các chất độc tự nhiên gây rủi ro cho sức khỏe conngười.
Nitơ tồn tại ở các trạng thái oxy hóa khác nhau , điều này làm cho quá trình loạibỏ nó khỏi nước phức tạp và đầy thách thức Xử lý hấp phụ hoặc đồng kết tủa thườngkhông khả thi do tính ổn định và độ hòa tan cao của nitrat, dẫn đến chi phí cao để xử lýnước nhiễm nitrat Hầu hết các hệ thống xử lý nước thải có hai cấp độ xử lý: sơ cấp(tách rác, lắng cát, loại bỏ rác, dầu mỡ, vvv) và thứ cấp (các dạng oxy hóa sinh họckhác nhau như bùn hoạt tính hoặc lọc nhỏ giọt) Ở những vùng mà các quy định yêucầu chất lượng nước thải cao hơn, xử lý bậc ba cũng được sử dụng để loại bỏ chất rắnlơ lửng còn xót lại và khử trùng Xử lý bậc ba là quá trình làm sạch cuối cùng loại bỏcác hợp chất vô cơ và cải thiện chất lượng nước thải trước khi tái sử dụng, tái chế hoặcthải ra môi trường.
Phương pháp sinh học được biết là phương pháp loại bỏ hiệu quả các hợp chấtnitơ trong nước thải Đây là giải pháp hiệu quả giảm được chi phí vận hành, khôngphát sinh chất ô nhiễm thứ cấp và hướng ưu tiện cho công nghệ xử lý nước thải hiệnnay Trong quy trình loại bỏ nitơ thông thường, nước thải đi qua quá trình nitrat hóa vàsau đó là quá trình khử nitrate Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh học củaamoniac hoặc amoni thành nitrit, sau đó là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat, tuynhiên, quá trình khử nitrat làm giảm nitrat và cuối cùng tạo ra N2 thông qua một loạtcác sản phẩm oxit nitơ dạng khí trung gian
II, Quy trình xử lý nước thải.
Trang 4Nguyễn Thị Chinh_17001248
Xử lý sinh học (bùn hoạt tính) là quy trình được sử dụng phổ biến nhất để loại bỏ nitơtrong các nhà máy xử lý nước thải (WWTPs) Có hai bước để loại bỏ nitơ trong xử lýsinh học: nitrat hóa và khử nitơ Trong quá trình này, các chất nitrat hóa, bao gồm vikhuẩn oxy hóa amoniac (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB), chuyển đổi tổngamoniac (amoniac tự do và amoniac không ion hóa) thành nitrat Quá trình khử nitơxảy ra trong một môi trường thiếu khí, trong đó chất khử nitơ khử nitrat và nitrit thànhkhí nitơ Cần 4,57 gam O 2 để oxi hóa mỗi gam amoniac thành nitrat Trong các nhàmáy xử lý nước thải, sục khí cơ học cung cấp một lượng lớn oxy và tiêu tốn 45–75%tổng nhu cầu năng lượng của nhà máy.
(A) Các mũi tên có màu sắc khác nhau là các quá trình chính trong chu trình nitơ baogồm, quá trình amon hóa (màu đỏ), sự khử đồng hóa và hòa tan của nitrit thành amoni(DNRA) (màu xanh lam), quá trình nitrat hóa (màu xanh lá cây và màu da cam), quátrình khử nitơ (màu tím), anammox (màu hồng), Sự chuyển đổi giữa nitrit-nitrat (màuda cam và màu lục lam) Các sinh vật tham gia vào các quá trình sinh học của chutrình nitơ (B) Các mũi tên màu và enzim tuân theo các quy tắc trong hình (A) Cả quátrình amon hóa và khử đồng hóa nitrit thành amoni đều được thực hiện bởi vi tảo Vikhuẩn cổ cũng có thể thực hiện quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa AOB, vi khuẩnoxy hóa amoni; NOB , vi khuẩn oxy hóa nitrit; AMO , amoniac monooxygenase;HAO; hydroxylamine oxidoreductase; HH, hydrazine hydrolase ; HZO, enzym oxyhóa hydrazine
1,Quá trình Nitrat hóa.
Là quá trình là quá trình Oxy hóa Amoniac thành Nitrat với sản phẩm trunggian là Nitrit Đây là quá trình đầu tiên để khởi động chu trình Nitơ, được thựchiện bởi bộ đôi vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter.
Trang 5Nguyễn Thị Chinh_17001248
1.1, Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hóa.
Vi khuẩn Nitrosomonas
Vi khuẩn Nitrobacter
Quá trình gồm hai bước diễn ra như sau:
Bước 1:Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ biến đổi Amoniac (NH3, NH4+) thành Nitrit(NO2).
Vi khuẩn Nitrosomonas là một chi của vi khuẩn Chemoautotrophic hình queGram âm.
Nitrosomonas và vi khuẩn Nitrat nói chung cần dùng oxy hòa tan để thực hiệnquá trình nitrat hóa Do đó, chúng chỉ hoạt động trong điều kiện hiếu khí (điều
Trang 6Bước 2: Vi khuẩn Nitrobacter sẽ tiến hành chuyển hóa NO2 thành Nitrat (NO3), kếtthúc quá trình Nitrat hóa.
Đặc điểm của vi khuẩn Nitrobacter là một chi bao gồm các vi khuẩn hình que,gram âm và hóa dưỡng Chúng sinh sản bằng hình thức tự nhân đôi Vi khuẩnNitrobacter là các sinh vật hiếu khí bắt buộc và kích thước 0,5-0,9 x 1,0-2,0μm.
Vi khuẩn nitrat hóa có độ tăng trưởng tối ưu từ 30 đến 36°C và không thể tồntại vượt quá giới hạn trên 49 °C hoặc giới hạn dưới của 0 °C.
Độ pH tối ưu cho sự phát triển từ 7,5 đến 8,5 Đây là phản ứng:
2NO2− + H2O → NO3− + 2H+ + 2e−2H+ + 2e− + ½O2 → H2O
Trong trường hợp nước thải có chứa chất tẩy rửa như Chlorine và Chloramines,cần xử lý trước khi đưa Nitrosomonas và Nitrobacter vào để xử lý Nitơ vì cácchất hóa học sẽ ức chế hoạt động, thậm chí gây chết vi khuẩn.
Để quá trình nitrate hóa xảy ra hiệu quả cần:
Vi khuẩn Nitrat hóa (Nitrosomonas và Nitrobacter) chỉ hoạt động trong môitrường hiếu khí, do đó cần sục khí và theo dõi hàm lượng DO trong bể xử lý,đảm bảo DO > 2 mg/l.;
pH ~ 7,5-8,6
Duy trì độ kiềm (8,62 mg HCO3–/mg N-NH4+).
Trang 7Nguyễn Thị Chinh_17001248
1.2 Nhược điểm của quá trình nitrat hóa.
So với các quá trình hóa lý để xử lý nước thải, loại bỏ nitơ sinh học thông quaquá trình nitrat hóa và khử nitơ có hiệu quả về chi phí hơn Tuy nhiên, một số hạn chếvẫn còn tồn tại, chẳng hạn như phản ứng nitrat hóa chậm, hoạt động nitrat hóa giảm doquá tải amoni và chất hữu cơ, sự cần thiết của việc kiểm soát oxy và nhu cầu về hai lòphản ứng: một lò hiếu khí để nitrat hóa và một lò kỵ khí để khử nitơ Ngoài ra, lò phảnứng kích thước lớn hoặc thời gian lưu thủy lực dài (HRT) được yêu cầu để loại bỏ NH4 + do tỷ lệ nitrat hóa thấp, dẫn đến chi phí vận hành cao Một số hệ thống xử lý nitơsinh học đã được phát triển để giảm năng lượng đầu vào cho quá trình Chúng baogồm nitrat hóa và khử nitơ đồng thời, anammox, nitrat hóa một phần và khử nitơ, loạibỏ nitơ tự dưỡng hoàn toàn qua nitrit (CANON), khử độc tố hiếu khí, nitrat hóa và khửnitơ hạn chế oxy (OLAND), cũng như sự kết hợp của các quá trình này bao gồm phảnứng sinh học màng và tế bào- cố định Quá trình nitrat hóa một phần thông qua nitritmang lại một số lợi thế đáng kể trong xử lý nước thải sinh học so với quá trình nitrathóa thông thường bao gồm: i) Giảm 40% nhu cầu oxy hóa học (COD) và tỷ lệ khửnitrit tăng 1,5–2 lần trong giai đoạn khử nitrit tiếp theo, ii) tiết kiệm 25% tiêu thụ oxy,giảm 300% sinh khối và 20% phát thải CO 2 trong quá trình khử nitơ Khi nitrat hóamột phần được kết hợp với anammox, amoni bị oxy hóa một phần thành nitrit theocách hiếu khí, và amoni còn lại sau đó phản ứng với nitrit để tạo thành khí nitơ theocách kỵ khí Điều này có một số lợi ích, chẳng hạn như không yêu cầu nguồn carbonbên ngoài, giảm 80% sản xuất bùn và ít năng lượng hơn và giảm 60% nhu cầu oxy sovới quá trình nitrat hóa / khử nitơ thông thường Quá trình nitrat hóa một phần dựatrên điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn AOB nhưng ngăn chặn vi khuẩn NOB Do đó, cómột số thông số được ưa thích bởi vi khuẩn AOB ảnh hưởng tích cực đến quá trìnhnitrat hóa một phần bao gồm i) pH (7,5 đến 8,5), ii) nhiệt độ (cao hơn 25,0 ° C) , iii)nồng độ oxy hòa tan (DO) (1,5 mg L -1 ) , iv) kiểm soát thời gian thực của quá trìnhsục khí và hoạt động kỵ khí và hiếu khí định kỳ , v) thời gian lưu bùn (SRT) (5 d), vi)Tỷ lệ C / N (0,3 <C / N <6) , vii) Chất ức chế NOB (chẳng hạn như sulfide ,hydroxylamine, muối, kim loại nặng, clorat, xyanate, halogenua, azide, hydrazine vàcác hóa chất hữu cơ)
2 Quá trình khử Nitrat.
Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng củacác vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat) Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat đượcdùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khíquyển.
Trang 8Nguyễn Thị Chinh_17001248
Quá trình khử nitơ xử lý các chất gây ô nhiễm khác nhau cùng một lúc, dẫnđến giảm chi phí xử lý chất thải Đối với quá trình khử nitơ có một số yêu cầu cầnthiết: yêu cầu về điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt, nguồn cacbon v vv Các nguồn cacbonhữu cơ bổ sung đóng vai trò là nguồn cung cấp điện tử và cần thiết cho sự phát triểncủa tế bào và quá trình khử nitơ dị dưỡng Glucose, rượu như metanol và etanol,succinat và axetat là những nguồn cacbon phổ biến nhất được bổ sung cho hệ thốngkhử nitơ.
2.1 Các vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrat
Cả vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng đều có thể khử nitrat Một số lượng các vikhuẩn khử nitrat tự dưỡng đã được phát hiện So với các vi khuẩn khử nitrat dị dưỡng,chúng thể hiện tốc độ tăng trưởng chậm với sản lượng sinh khối thấp và đồng hóakhông hiệu quả ( Rezvani và cộng sự, 2019 ) Vi khuẩn khử nitrat tự dưỡng oxy hóacác chất vô cơ và các điện tử được giải phóng được chuyển đến nitrat như chất nhậnđiện tử cuối cùng Có hai loại khử nitrat tự dưỡng: dựa trên hydro ( Micrococcusdenitrificans và Paracoccus denitrificans ) và khử nitrat tự dưỡng dựa trên lưu huỳnh( Thiobacillus denitrificans và T thioparus ), oxy hóa H2 và các hợp chất lưu huỳnh(chẳng hạn như lưu huỳnh nguyên tố hoặc thiosunfat), với tư cách là chất cho điện tử.
Các phản ứng khử nitrat nhanh hơn do sinh vật dị dưỡng thực hiện đòi hỏi thểtích lò phản ứng nhỏ hơn, do đó giảm chi phí Pseudomonas và Bacillus là những vikhuẩn khử nitrat dị dưỡng phổ biến nhất Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng cacbon từ cáchợp chất hữu cơ phức tạp và sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử cuối cùng Trong cảmôi trường hiếu khí và kỵ khí, nitrat có thể được loại bỏ bởi vi khuẩn dị dưỡng khỏinước thải Trong điều kiện kỵ khí, nitrat được sử dụng làm chất nhận electron cuốicùng cho quá trình hô hấp của tế bào thay vì oxy Do đó, nitrat bị khử đồng thời vớiquá trình oxy hóa các chất hữu cơ Một số vi khuẩn, chẳng hạn như Thiosphaerapantotropha , Alcaligenes faecalis , và Bacillussp có khả năng khử nitrat hiếu khí,ngoài nitrat hóa dị dưỡng Nồng độ DO, tỷ lệ cacbon trên nitơ (C / N) cũng như nhiệtđộ và độ pH được biết là ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrat hiếu khí Có một số ưu điểmcủa quá trình khử nitrat hiếu khí bằng cách sử dụng các sinh vật này, chẳng hạn nhưtốc độ tăng trưởng cao, loại bỏ amoni và nitrat hiếu khí bằng cách nitrat hóa và khửnitrat đồng thời, giảm thiểu các vấn đề thích nghi và giảm yêu cầu đệm (độ kiềm đượctạo ra bởi quá trình khử nitrat bù đắp một phần độ kiềm cần thiết cho quá trình nitrathóa ) Sự đồng hô hấp của nitrat và oxy trong những điều kiện này được cho là kết quảcủa việc vi sinh vật thích nghi với môi trường khắc nghiệt với liều lượng nitrat cao đểphân hủy nitơ độc hại
Trang 9Phân đoạn sinh học là một phương pháp sinh học bổ sung các vi sinh vật cụ thểvào một cộng đồng vi sinh vật để nâng cao hiệu quả của cộng đồng vi sinh vật trongviệc phân hủy các chất ô nhiễm cụ thể Nhìn chung, phân đoạn sinh học với các chủngcó khả năng khử nitrat hoàn toàn sẽ có lợi để đạt được một hệ thống khử nitrat hoànchỉnh để xử lý nước thải.
2.2 Nhược điểm của quá trình khử nitrat.
Mặc dù có một số ưu điểm do quá trình khử nitơ mang lại, nhưng các chất nền này dẫnđến độ đục do hậu quả của quá nhiều sinh khối và nguồn cacbon còn sót lại, do đó cầnphải xử lý thêm.
Có một số vấn đề cản trở việc áp dụng quy mô lớn của quá trình phân hủy nitơ sinhhọc Có nguy cơ tạo ra nitơ oxit ở dạng khí , là một loại khí gây hiệu ứng nhà kính,mạnh hơn CO 2 Yêu cầu cung cấp nguồn carbon liên tục là một gánh nặng đáng kể,kết hợp với nhu cầu định lượng chính xác để tránh làm suy giảm chất lượng nước thảido sinh khối quá mức của tế bào vi khuẩn và nguồn carbon còn sót lại Hơn nữa, sự
Trang 10Nguyễn Thị Chinh_17001248
hiện diện của oxy trong quá trình khử nitơ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả loại bỏnitơ và làm tăng nồng độ nitrit trong nước đã xử lý Hiệu ứng tiêu cực này của oxythay đổi tùy theo loại chất cho điện tử được sử dụng làm nguồn cacbon Ví dụ, quátrình khử nitơ ít bị ảnh hưởng bởi DO khi sử dụng rượu, chẳng hạn như etanol vàmetanol, so với đường sacaroza làm nguồn cacbo Tác dụng này của rượu là do sựhình thành các màng sinh học có kích thước nhỏ hơn với mật độ vi khuẩn cao hơn, gâyra tốc độ khử nitrat cao hơn so với tốc độ khử nitrat Các nguồn cacbon này thích hợphơn cho quá trình khử nitơ sinh học của nước bị ô nhiễm nitrat và có chứa DO Nhữngthách thức khác với quá trình khử nitơ bao gồm tốc độ phản ứng chậm do thời giankhởi động và HRT cao, cần điều chỉnh độ pH và giảm năng suất ở nhiệt độ lạnh Mộtsố vấn đề như tốc độ phản ứng chậm có thể bị cản trở bằng cách tăng lượng nitrat lênđến 130 mg L -1 , tuy nhiên, việc nạp nitrat trên giá trị này ảnh hưởng xấu đến việcloại bỏ nitrat
III, Kết luận.
Việc loại bỏ một kg phốt pho và nitơ tương ứng có giá khoảng 3,0 và 4,4 USDbằng cách sử dụng phương pháp xử lý nước thải thông thường bằng phương pháp sinhhọc Trong khi đó, việc sử dụng nước thải để nuôi trồng vi tảo làm giảm gần như 100%nhu cầu nước ngọt và chất dinh dưỡng dẫn đến giảm đáng kể chi phí sản xuất củachúng Việc sử dụng vi tảo để xử lý nước thải mang lại hiệu quả cao để xử lý các loạinước thải khác nhau, thu hồi chất dinh dưỡng ở dạng sinh khối có giá trị cho phân bónsinh học, thuốc trừ sâu sinh học, thức ăn chăn nuôi và dược phẩm cũng như để thu hồinăng lượng làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học như diesel sinh học và cồnsinh học và giảm khí nhà kính (CO 2 ) Sử dụng vi tảo để xử lý nước thải mang lại chochúng ta một phương pháp đầy hứa hẹn để tiết kiệm năng lượng và phát triển một quytrình xử lý bền vững Do đó, việc nghiên cứu sâu hơn về việc tìm kiếm các điều kiệntối ưu để loại bỏ đồng thời amoniac và nitrat là cần thiết.
IV, Nguồn tài liệu tham khaỏ.
1.A Al-Mamun, M.S Baawain, F Egger, A.H Al-Muhtaseb, H.Y Ng
“Optimization of a baffled-reactor microbial fuel cell using autotrophic denitrifyingbio-cathode for removing nitrogen and recovering electrical energy”
Biochem Eng J., 120 (2017), pp 93-102, 10.1016/j.bej.2016.12.0152.L Barsanti, P Gualtieri
“Algae-anatomy, Biochemistry and Biotechnology”