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 NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA: SINH HỌC
ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NITO TRONG NƯỚC THẢI 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 Việc tăng cường sử dụng phân bón trong nông nghiệp đã làm ô nhiễm các nguồn nước mặt
và 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 đó được 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 80.000 tấn / năm Các tiêu chuẩn xả thải nitơ nghiêm ngặt được thực thi ở nhiều quốc gia Ví
dụ, các nhà máy xử lý nước thải thành phố được phép thải ít hơn 5 mg L -1 amoni và
15 mg L -1 tổng nitơ ở Trung Quốc (GB18918-2002) Vì vậy, việc loại bỏ nitơ từ nước thải là vô cùng quan trọng để bảo vệ nguồn nước, đặc biệt là đối với các vùng đang thiếu nước Hiện tượng phú dưỡng trong các hệ sinh thái nước ngọt là một trong những hậu quả trực tiếp và có hại của việc nạp quá nhiều nitơ Hiện tượng phú dưỡng làm suy giảm hệ sinh thái nước ngọt bằng cách phát triển tảo nở hoa, lan rộng các loài thực 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 con người
Nitơ tồn tại ở các trạng thái oxy hóa khác nhau , điều này làm cho quá trình loại
bỏ nó khỏi nước phức tạp và đầy thách thức Xử lý hấp phụ hoặc đồng kết tủa thường không khả thi do tính ổn định và độ hòa tan cao của nitrat, dẫn đến chi phí cao để xử lý nước 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 học khác nhau như bùn hoạt tính hoặc lọc nhỏ giọt) Ở những vùng mà các quy định yêu cầu chất lượng nước thải cao hơn, xử lý bậc ba cũng được sử dụng để loại bỏ chất rắn
lơ lửng còn xót lại và khử trùng Xử lý bậc ba là quá trình làm sạch cuối cùng loại bỏ các hợp chất vô cơ và cải thiện chất lượng nước thải trước khi tái sử dụng, tái chế hoặc thải ra môi trường
Phương pháp sinh học được biết là phương pháp loại bỏ hiệu quả các hợp chất nitơ trong nước thải Đây là giải pháp hiệu quả giảm được chi phí vận hành, không phát sinh chất ô nhiễm thứ cấp và hướng ưu tiện cho công nghệ xử lý nước thải hiện nay Trong quy trình loại bỏ nitơ thông thường, nước thải đi qua quá trình nitrat hóa và sau đó là quá trình khử nitrate Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh học của amoniac hoặc amoni thành nitrit, sau đó là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat, tuy nhiên, quá trình khử nitrat làm giảm nitrat và cuối cùng tạo ra N2 thông qua một loạt các 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 nitơ trong các nhà máy xử lý nước thải (WWTPs) Có hai bước để loại bỏ nitơ trong xử lý sinh học: nitrat hóa và khử nitơ Trong quá trình này, các chất nitrat hóa, bao gồm vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB), chuyển đổi tổng amoniac (amoniac tự do và amoniac không ion hóa) thành nitrat Quá trình khử nitơ xảy ra trong một môi trường thiếu khí, trong đó chất khử nitơ khử nitrat và nitrit thành khí nitơ Cần 4,57 gam O 2 để oxi hóa mỗi gam amoniac thành nitrat Trong các nhà máy 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 bao gồm, 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), quá trình khử nitơ (màu tím), anammox (màu hồng), Sự chuyển đổi giữa nitrit-nitrat (màu
da cam và màu lục lam) Các sinh vật tham gia vào các quá trình sinh học của chu trình nitơ (B) Các mũi tên màu và enzim tuân theo các quy tắc trong hình (A) Cả quá trình amon hóa và khử đồng hóa nitrit thành amoni đều được thực hiện bởi vi tảo Vi khuẩn cổ cũng có thể thực hiện quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa AOB, vi khuẩn oxy hóa amoni; NOB , vi khuẩn oxy hóa nitrit; AMO , amoniac monooxygenase; HAO; hydroxylamine oxidoreductase; HH, hydrazine hydrolase ; HZO, enzym oxy hóa hydrazine
1,Quá trình Nitrat hóa.
Là quá trình là quá trình Oxy hóa Amoniac thành Nitrat với sản phẩm trung gian là Nitrit Đây là quá trình đầu tiên để khởi động chu trình Nitơ, được thực hiện 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 que Gram âm
Nitrosomonas và vi khuẩn Nitrat nói chung cần dùng oxy hòa tan để thực hiện quá trình nitrat hóa Do đó, chúng chỉ hoạt động trong điều kiện hiếu khí (điều
Trang 6Nguyễn Thị Chinh_17001248
kiện có oxy) với khả năng khử oxy hóa đủ Dưới đây là phản ứng Ammonia chuyển hóa về Nitrit
NH4+ + 1,5 O2 ===> NO2- + 2H+ + H2O
Độ pH thích hợp để vi khuẩn Nitrosomonas hoạt động hiệu quả dao động từ 6.0 đến 9.0
Nhiệt độ tối ưu để vi khuẩn Nitrosomonas hoạt động, phát triển tối ưu trong các sản phẩm ứng dụng sẽ là từ 30-36 độ C
Vi khuẩn Nitrosomonas sử dụng nguồn năng lượng thu được thông qua quá trình oxy hóa Amoniac để cố định CO2 dạng khí thành các phân tử hữu cơ
Vi khuẩn Nitrosomonas mẫn cảm với ánh sáng, đặc biệt là ánh sáng màu xanh dương và tím Do đó cần bảo quản chúng ở nơi tránh ánh sáng trực tiếp, nhiệt
độ bảo quản từ 10 độ C đến 40 độ C
Bước 2: Vi khuẩn Nitrobacter sẽ tiến hành chuyển hóa NO2 thành Nitrat (NO3), kết thúc 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 khuẩn Nitrobacter 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 tồn tại 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 các chất 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 môi trường 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 qua quá trình nitrat hóa và khử nitơ có hiệu quả về chi phí hơn Tuy nhiên, một số hạn chế vẫn còn tồn tại, chẳng hạn như phản ứng nitrat hóa chậm, hoạt động nitrat hóa giảm do quá tải amoni và chất hữu cơ, sự cần thiết của việc kiểm soát oxy và nhu cầu về hai lò phản ứng: một lò hiếu khí để nitrat hóa và một lò kỵ khí để khử nitơ Ngoài ra, lò phản ứng kích thước lớn hoặc thời gian lưu thủy lực dài (HRT) được yêu cầu để loại bỏ NH
4 + do tỷ lệ nitrat hóa thấp, dẫn đến chi phí vận hành cao Một số hệ thống xử lý nitơ sinh học đã được phát triển để giảm năng lượng đầu vào cho quá trình Chúng bao gồm nitrat hóa và khử nitơ đồng thời, anammox, nitrat hóa một phần và khử nitơ, loại
bỏ nitơ tự dưỡng hoàn toàn qua nitrit (CANON), khử độc tố hiếu khí, nitrat hóa và khử nitơ hạn chế oxy (OLAND), cũng như sự kết hợp của các quá trình này bao gồm phản ứng sinh học màng và tế bào- cố định Quá trình nitrat hóa một phần thông qua nitrit mang lại một số lợi thế đáng kể trong xử lý nước thải sinh học so với quá trình nitrat hóa thông thường bao gồm: i) Giảm 40% nhu cầu oxy hóa học (COD) và tỷ lệ khử nitrit 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 hóa một phần được kết hợp với anammox, amoni bị oxy hóa một phần thành nitrit theo cách hiếu khí, và amoni còn lại sau đó phản ứng với nitrit để tạo thành khí nitơ theo cách kỵ khí Điều này có một số lợi ích, chẳng hạn như không yêu cầu nguồn carbon bên ngoài, giảm 80% sản xuất bùn và ít năng lượng hơn và giảm 60% nhu cầu oxy so với quá trình nitrat hóa / khử nitơ thông thường Quá trình nitrat hóa một phần dựa trên điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn AOB nhưng ngăn chặn vi khuẩn NOB Do đó, có một số thông số được ưa thích bởi vi khuẩn AOB ảnh hưởng tích cực đến quá trình nitrat 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 trình sục 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 và các hóa chất hữu cơ)
2 Quá trình khử Nitrat.
Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat) Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển
Trang 8Nguyễn Thị Chinh_17001248
Quá trình khử nitơ xử lý các chất gây ô nhiễm khác nhau cùng một lúc, dẫn đến giảm chi phí xử lý chất thải Đối với quá trình khử nitơ có một số yêu cầu cần thiết: yêu cầu về điều kiện kỵ khí nghiêm ngặt, nguồn cacbon v vv Các nguồn cacbon hữu cơ bổ sung đóng vai trò là nguồn cung cấp điện tử và cần thiết cho sự phát triển của 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 thống khử 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 vi khuẩn 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 hóa không hiệu quả ( Rezvani và cộng sự, 2019 ) Vi khuẩn khử nitrat tự dưỡng oxy hóa các chất vô cơ và các điện tử được giải phóng được chuyển đến nitrat như chất nhận điện tử cuối cùng Có hai loại khử nitrat tự dưỡng: dựa trên hydro ( Micrococcus denitrificans 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 thể tích lò phản ứng nhỏ hơn, do đó giảm chi phí Pseudomonas và Bacillus là những vi khuẩn khử nitrat dị dưỡng phổ biến nhất Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng cacbon từ các hợp chất hữu cơ phức tạp và sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử cuối cùng Trong cả môi trường hiếu khí và kỵ khí, nitrat có thể được loại bỏ bởi vi khuẩn dị dưỡng khỏi nước thải Trong điều kiện kỵ khí, nitrat được sử dụng làm chất nhận electron cuối cùng cho quá trình hô hấp của tế bào thay vì oxy Do đó, nitrat bị khử đồng thời với quá trình oxy hóa các chất hữu cơ Một số vi khuẩn, chẳng hạn như Thiosphaera pantotropha , 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 nhiệt
độ và độ pH được biết là ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrat hiếu khí Có một số ưu điểm của quá trình khử nitrat hiếu khí bằng cách sử dụng các sinh vật này, chẳng hạn như tốc độ tăng trưởng cao, loại bỏ amoni và nitrat hiếu khí bằng cách nitrat hóa và khử nitrat đồng thời, giảm thiểu các vấn đề thích nghi và giảm yêu cầu đệm (độ kiềm được tạo ra bởi quá trình khử nitrat bù đắp một phần độ kiềm cần thiết cho quá trình nitrat hóa ) Sự đồng hô hấp của nitrat và oxy trong những điều kiện này được cho là kết quả của việc vi sinh vật thích nghi với môi trường khắc nghiệt với liều lượng nitrat cao để phân hủy nitơ độc hại
Trang 9Nguyễn Thị Chinh_17001248
Hình :Các vi khuẩn khử nitrat góp phần loại bỏ nitrat, đang hoạt động trong quá trình tích tụ nitrit hoặc khử nitrat hoàn toàn
Ba mô hình khác nhau của quá trình khử nitrat được tìm thấy trong các nhà máy
xử lý nước thải bao gồm i) chỉ khử nitrat thành nitrit, ii) khử cả nitrat và nitrit mà không có sự tích tụ nitrit đồng thời tốc độ khử nitrit cao hơn so với nitrat ở những vi khuẩn này, iii) khử nitrat và nitrit, cùng với sự tích tụ nitrit thoáng qua khiến tốc độ khử nitrit thấp hơn tốc độ khử nitrat ở những vi khuẩn này
Phân đoạn sinh học là một phương pháp sinh học bổ sung các vi sinh vật cụ thể vào một cộng đồng vi sinh vật để nâng cao hiệu quả của cộng đồng vi sinh vật trong việc phân hủy các chất ô nhiễm cụ thể Nhìn chung, phân đoạn sinh học với các chủng
có khả năng khử nitrat hoàn toàn sẽ có lợi để đạt được một hệ thống khử nitrat hoàn chỉnh 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 dẫn đến độ đục do hậu quả của quá nhiều sinh khối và nguồn cacbon còn sót lại, do đó cần phải xử lý thêm
Có một số vấn đề cản trở việc áp dụng quy mô lớn của quá trình phân hủy nitơ sinh học 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 thải
do 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 bỏ nitơ và làm tăng nồng độ nitrit trong nước đã xử lý Hiệu ứng tiêu cực này của oxy thay đổi tùy theo loại chất cho điện tử được sử dụng làm nguồn cacbon Ví dụ, quá trình khử nitơ ít bị ảnh hưởng bởi DO khi sử dụng rượu, chẳng hạn như etanol và metanol, so với đường sacaroza làm nguồn cacbo Tác dụng này của rượu là do sự hình thành các màng sinh học có kích thước nhỏ hơn với mật độ vi khuẩn cao hơn, gây
ra tốc độ khử nitrat cao hơn so với tốc độ khử nitrat Các nguồn cacbon này thích hợp hơn cho quá trình khử nitơ sinh học của nước bị ô nhiễm nitrat và có chứa DO Những thách thức khác với quá trình khử nitơ bao gồm tốc độ phản ứng chậm do thời gian khởi động và HRT cao, cần điều chỉnh độ pH và giảm năng suất ở nhiệt độ lạnh Một
số vấn đề như tốc độ phản ứng chậm có thể bị cản trở bằng cách tăng lượng nitrat lên đến 130 mg L -1 , tuy nhiên, việc nạp nitrat trên giá trị này ảnh hưởng xấu đến việc loại bỏ nitrat
III, Kết luận.
Việc loại bỏ một kg phốt pho và nitơ tương ứng có giá khoảng 3,0 và 4,4 USD bằng cách sử dụng phương pháp xử lý nước thải thông thường bằng phương pháp sinh học 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 của chúng Việc sử dụng vi tảo để xử lý nước thải mang lại hiệu quả cao để xử lý các loại nước thải khác nhau, thu hồi chất dinh dưỡng ở dạng sinh khối có giá trị cho phân bón sinh học, thuốc trừ sâu sinh học, thức ăn chăn nuôi và dược phẩm cũng như để thu hồi năng lượng làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học như diesel sinh học và cồn sinh học và giảm khí nhà kính (CO 2 ) Sử dụng vi tảo để xử lý nước thải mang lại cho chúng ta một phương pháp đầy hứa hẹn để tiết kiệm năng lượng và phát triển một quy trình xử lý bền vững Do đó, việc nghiên cứu sâu hơn về việc tìm kiếm các điều kiện tối 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 denitrifying bio-cathode for removing nitrogen and recovering electrical energy”
Biochem Eng J., 120 (2017), pp 93-102, 10.1016/j.bej.2016.12.015
2.L Barsanti, P Gualtieri
“Algae-anatomy, Biochemistry and Biotechnology”