1 Tr ạng thái t ồn t ại c Nit ơtrong n c th ải: Trong n c th ải, h ợp ch ất c nit ơt ồn t ại d i d ạng: h ợ p ch ất h ữ u , amoni h ợp ch ất d ạng ơxy hố (nitrit nitrat).Trong n c th ải sinh ho ạt nit ơt ồn t ại d i d ạng vô c ơ(65%) h ữ u c ơ(35%) Ngu ồn nit ơch ủy ếu t ừn c ti ểu M ỗi ng i m ột ngày x ảvào h ệth ống thoát n c 1,2 lít n c ti ểu, t ơn g đ ng v i 12 g nit ơt s ố Trong s ốđó nit ơtrong urê (N-CO(NH¬2)2) 0,7g, l ại lo ại nit ơkhác Tác h ại c ô nhi ễm Nit ơđ ối vớ i môi tr ờn g Nit ơtrong n c th ải cao, ch ảy vào sông, h ồlàm t ăng hàm l ợ n g ch ất dinh d ỡ n g Do v ậy gây s ựphát tri ển m ạnh m ẽc lo ại th ự c v ật phù du nh ưrêu, t ảo gây tình tr ạng thi ếu oxy n c , phá v ỡchu ỗi th ứ c ăn , gi ảm ch ất l ợn g n c , phá ho ại môi tr ờn g s ạch c th ủy v ự c, s ản sinh nhi ều ch ất đ ộ c n c nh ưNH4+, H2S, CO2, CH4… tiêu di ệt nhi ều lo ại sinh v ật có ích n c Hi ện t ợ n g g ọi phú d ỡ n g ngu ồn n ớc Hi ện nay, phú d ỡ n g th n g g ặp h ồđô th ị, sông kênh d ẫn n c th ải Đ ặc bi ệt t ại khu v ự c Hà N ội, sông Sét, sông L , sơng Tơ L ịch đ ề u có màu xanh đe n ho ặc đe n, có mùi th ối khí H2¬S Hi ện t ượn g tác độn g tiêu c ự c tớ i ho ạt độn g s ống c dân c ưđô th ị, làm bi ến đ ổ i h ệsinh thái c n c h ồ, t ăng thêm m ứ c đ ộ ô nhi ễm không khí c khu dân c Tác h ại c Nit ơđ ối vớ i trình x ửlý n ớc S ựcó m ặt c Nit ơcó th ểgây c ản tr ởcho trình x ửlý làm gi ảm hi ệu qu ảlàm vi ệc c cơng trình M ặt khác có th ểk ết h ợp v ới lo ại hoá ch ất x ửlý đ ể t ạo ph ức h ữ u c ơgây đ ộ c cho ng ời V ới đ ặ c tính nh ưv ậy vi ệc x ửlý Nit ơtrong giai đo ạn hi ện đa ng v ấn đ ề đá ng đ ợ c nghiên c ứu ứn g d ụng.V ấn đ ề đ ợ c nhà nghiên c ứ u, h ọc gi ảđi sâu tìm hi ểu X ửlý nit ơtrong n c th ải b ằng ph n g pháp sinh h ọc 4.1 C ơs ởlý thuy ết trình x ửlý nit ơb ằng ph n g pháp sinh h ọc Trong trình x ửlý n c th ải b ằng ph n g pháp sinh h ọc hi ếu khí, nit ơamơn s ẽđ ợ c chuy ển thành nitrit nitrat nh ờcác lo ại vi khu ẩn Nitrosomonas Nitrobacter Khi môi tr n g thi ếu ôxy, lo ại vi khu ẩn kh ửnitrat Denitrificans (d ạng k ỵkhí tu ỳti ện) s ẽtách ôxy c nitrát (NO3-) nitrit (NO2-) đ ể ơxy hố ch ất h ữ u Nit ơphân t ửN2 t ạo thành trình s ẽthốt kh ỏi n ớc Qúa trình chuyển hóa Nitơ nước thải Q trình chuyển NO3- –> NO2- –>NO –> N2O –> N2 với việc sử dụng mêtanol làm nguồn bon biểu diễn phương trình sau đây: 4.2 Nitrat hóa Nitrat hố q trình tự dưỡng (năng lượng cho phát triển vi khuẩn lấy từ hợp chất ơxy hố Nitơ, chủ yếu Amôni Ngược với vi sinh vật dị dưỡng vi khuẩn nitrat hố sử dụng CO2(dạng vơ cơ) nguồn bon hữu để tổng hợp sinh khối Sinh khối vi khuẩn nitrat hoá tạo thành m ột đơn vị c trình trao đổi chất nhỏ nhiều lần so với sinh khối tạo thành trình dị dưỡng Q trình Nitrat hố từ Nitơ Amơni chia làm hai bước có liên quan tới hai lo ại vi sinh vật , vi khuẩn Nitơsomonas Vi khuẩn Nitơbacteria giai đoạn amôni chuyển thành nitrit bước thứ hai nitrit chuyển thành nitrat Bước NH4- + 1,5 O2 –> NO2- + 2H+ + H2O Bước NO-2 + 0,5 O2 –> NO3Các vi khuẩn Nitơsomonas Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng lượng lấy từ phản ứng để tự trì hoạt động sống tổng hợp sinh khối Có thể tổng hợp q trình phương trình sau : NH4- + O2 –> NO3- + 2H+ + H2O (*) Cùng với trình thu lượng, số iơn Amơni đồng hố vận chuyển vào mơ tế bào Q trình tổng hợp sinh khối biểu diễn phương trình sau : 4CO2 + HCO3- + NH+4 + H2O –> C5H7O2N + 5O2 C5H7O2N tạo thành dùng để tổng hợp nên sinh khối cho tế bào vi khuẩn Tồn q trình ơxy hố phản ứng tổng hợp thể qua phản ứng sau : NH4++1,83O2+1,98 HCO3- –> 0,021C5H7O2N + 0,98NO3-+1,041H2O+1,88H2CO3 Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá amôni thành nitrat cần 4,3 mg O2/ 1mg NH4+ Giá trị gần với giá trị 4,57 thường sử dụng cơng thức tính tốn thiết kế Giá trị 4,57 xác định từ phản ứng (*) mà trình tổng hợp sinh khối tế bào không xét đến 4.3 Khử nitrit nitrat: Trong môi trường thiếu ôxy loại vi khuẩn khử nitrit nitrat Denitrificans (d ạng kị khí tu ỳ tiện) tách ôxy nitrat (NO3-) nitrit (NO2-) để ơxy hố chất hữu Nitơ phân tử N2 tạo thành q trình khỏi nước + Khử nitrat : NO3- + 1,08 CH3OH + H+ –> 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 + 0,76CO2 + 2,44H2O + Khử nitrit : NO2- + 0,67 CH3OH + H+ –> 0,04 C5H7O2N + 0,48 N2 + 0,47CO2 + 1,7H2O Như để khử nitơ cơng trình xử lý nước thải cần : • Điều kiện yếm khí ( thiếu ơxy tự ) • Có nitrat (NO3- ) nitrit (NO2-) • Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat; • Có nguồn cácbon hữu • Nhiệt độ nước thải không thấp Các dây chuyền cơng trình xử lý nitơ nước thải 5.1 Dây chuyền công nghệ xử lý nitơ - Quá trình hậu phản (Post – denitrification) Nitrat hóa (Xử lý sinh học bậc 2) –> Phản nitrat(Xử lý bậc 3) Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ nước thải – Qúa trình hậu phản -Quá trình tiền phản (Pre – denitrification) Khử nitrat (Oxi hóa hợp chất hữu điều kiện kỵ khí)–> nitrat hóa (xử lý bậc 2) - Quá trình kết hợp phương pháp cách tráo đổi q trình nitrat hóa phản nitrat Hình Sơ đồ dây chuyên xử lý nito nước thải – Kết hợp trình tiền phản hậu phản 5.2 Một số dạng công trình kết hợp xử lý BOD/N 5.2.1 Kênh ơxy hố tuần hồn Kênh ơxy hố tuần hồn hoạt động theo nguyên lý thổi khí bùn hoạt tính kéo dài Quá trình thổi khí đảm bảo cho việc khử BOD ổn định bùn nhờ hơ hấp nội bào Vì bùn hoạt tính dư gây thối khối lượng giảm đáng kể Các chất hữu công trình ơxy hố hồn tồn, hiệu khử BOD đạt 85÷95% Trong vùng hiếu khí diễn q trình ơxy hố hiếu khí chất hữu nitrat hố Trong vùng thiếu khí (hàm lượng ơxy hồ tan thường 0,5 mg/l) diễn q trình hơ hấp kỵ khí khử nitrat Để khử N nước thải, người ta thường tạo điều kiện cho q trình khử nitrat diễn cơng trình Kênh ơxy hố tuần hồn hoạt động theo ngun tắc aerơten đẩy guồng quay bố trí theo chiều dài định nên dễ tạo cho vùng hiếu khí (aerobic) thiếu khí (anoxic) ln phiên thay đơỉ Q trình nitrat hố kh nitrat thực vùng Hiệu khử nitơ kênh ơxy hố tuần hồn đạt từ 40–>80% 5.2.2 Aerơten hoạt động gián đoạn theo mẻ (hệ SBR) Sơ đồ dây chuyên xử lý Nito nước thải – Bể SBR Các giai đoạn hoạt động diễn ngăn bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả n-ước thải xả bùn dư 5.3 Xử lý kết hợp nitơ phốt Phốt xâm nhập vào nước có nguồn gốc từ nước thải thị, phân hố học, trơi từ đất, nước mưa phốt trầm tích hồ tan trở lại Phốt nước thường tồn dạng orthophotphat (PO43-,HPO42-, H2PO4-,H3PO4) hay polyphotphat [Na3(PO3)6] phốt phát hữu Tất dạng polyphotphat pyrometaphotphat Na2(PO4)6, tripolyphotphat Na5P3O10, pyrophotphat Na4P2O7 chuyển hố dạng orthophotphat mơi trường nước Trong nước mưa, hàm lượng nitơ phốt phụ thuộc vào lưu vực thoát nước, đặc điểm mặt phủ … Bảng : Lượng nitơ phốt theo nước mưa chảy vào sông, hồ, kg/ha.năm Nguyên tố Rừng Nông nghiệp Đô thị Nước mưa Nitơ 3(1,3 -10,2) 5(0,5-50) 5(1-20) 24 Phốt 0,4(0,01-0,9) 0,5(0,1-5) 1(0,1-10) 1(0,05-5) Hợp chất photpho tự nhiên khơng độc hại , có số loại tổng hợp este trung tính axit photphoric dùng làm hố chất bảo vệ thực vật có độc tính cao Trong nước bị nhiễm, hàm lượng photpho (tính theo photphat) khơng lớn, khoảng 0,1 mg/l, ch ủ yếu d ạng orthophotphat Trong nước thải nồng độ photphat cao Phốt nguyên nhân gây bùng nổ tảo số nguồn nước mặt , gây tượng tái nhiễm bẩn nước có màu, mùi khó chịu 5.3.1 Kết hợp xử lý Phốt Nitơ nước thải phương pháp sinh học Một trình xử lý phương pháp sinh học phát triển kết hợp xử lý nitơ photpho Bằng cách sử dụng bùn hoạt tính, hợp chất q trình xử lý thiếu khí (anoxic), xử lý hiếu khí (aerobic), x lý yếm khí (anaerobic) k ết h ợp riêng biệt để thực trình khử nitơ photpho Ban đầu trình phát triển để khử Photpho, sau kết hợp khử nitơ photpho Các công nghệ sử dụng thơng dụng là: – Quy trình A2/O – Quy trình Bardenpho (5 bước) – Quy trình UCT – Quy trình VIP Kỹ thuật xử lý mẻ có khả kết hợp khử Nitơ Phốtpho Quy trình A2/O Quy trình cải tiến từ quy trình A/O bổ sung thêm vùng cấp oxi để khử nitrat Giai đoạn lưu trình thiếu khí xấp xỉ Tại vùng anoxic (thi ếu oxy), vi sinh vật lấy oxi từ nitrat (NO3-) nitrit (NO22-), lượng nitrat nitrit bổ sung hỗn h ợp nước thải tuần hoàn từ sau vùng aerobic Hàm lượng phótpho tập trung nước nước thải nhỏ 2mg/l chấp nhận với nước thải khơng có cơng đoạn lọc, nhỏ 1.5mg/l với nước thải sau lọc Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn) Từ bể Bardenpho giai đoạn để xử lý Nitơ, bổ sung thêm giai đoạn để kết hợp khử nitơ photpho Thêm giai đoạn thứ q trình yếm khí anarobic để khử photpho lên quy trình kết hợp khử nitơ, photpho Sự xếp giai đoạn cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải sau vùng khác khác quy trình xử lý A2/O Hệ thống bước cung cấp vùng anaerobic, anoxic, aerobic để khử Nitơ, Photpho hợp chất hữu Vùng Anoxic (giai đoạn 2) để khử nitrat bổ sung nitrat từ bể aerobic (giai đoạn 3) Bể aerobic cuối tách khí N2 khỏi nước gi ảm hàm l ượng Photpho xuống tối đa Thời gian xử lý kéo dài quy trình A2/O Tổng thời gian lưu nước 10-40ngày, tăng sinh khối vi sinh vật Quy trình UCT Được sáng tạo trượng đại học Cape Town, giống quy trinh A2/O có khác biệt Thứ nhất, bùn hoạt tính tuần hồn đến bể Anoxic thay bể anaerobic Thứ hai, xuất vòng tuần hồn từ bể anoxic đến anaerobic Bùn hoạt tính đến bể anoxic, hàm lượng nitrat bể anaerobic bị loại bỏ, theo ta tách photpho bể anaerobic Bản chất vòng tuần hồn bể cung cấp hợp chất hữu đến bể anaerobic Hợp chất từ bể anoxic bao gồm hợp chất hữu hòa tan (BOD) hàm lượng nitrat ít, tạo điều kiện tốt để lên men kỵ khí bể anaerobic Vào năm 1989, chưa có nhà máy Mỹ sử dụng trình Quy trình VIP (Virginia Initiative Plant in Norfolk Virginia) Quy trình giống A2/O UCT ngoại trừ cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải bể Bùn hoạt tính với nước thải sau bể aerobic (đã khử nitrat) đưa lại bể anoxic Nước thải từ bể anoxic quay trở lại đầu vào anaerobic Trên sở liệu kiểm tra được, xuất số hợp chất hữu nước thải đầu vào, đảm bảo ổn đinh hoạt động bể kỵ khí, làm giảm nhanh chóng lượng oxi theo yêu cầu 5.3.2 So sánh ưu, nhược điểm trình kết hợp xử lý nitơ photpho Các trình Ưu điểm Nhược điểm Bùn thải có hàm lượng tương đối cao phôtpho ( – 5%) A2/O nguồn phân bón giá trịKhả Hoạt động điều kiện khí hậu khử nitrat cao so với dây lạnh thường không ổn địnhPhức tạp chuyền A/O so với cơng nghệ A/O Tạo bùn thải hệ thống phương pháp xử lý phốtpho thời.Bùn thải có hàm lượng tương đối cao phơtpho nguồn phân bón giá trị.Có khả giảm thiểu tổng lượng Với nhiều vòng tuần hồn, cần phải nitơ tới mức thấp, tốt so với đa tính tốn thêm cơng suất bơm số phương pháp khác.Độ kiềm yêu cầu vấn đề bảo khơi phục cho hệ thống.Vì dưỡng.Mới thí nghiệm chủ tiết kiệm lượng hố chất yếu Mỹ.Những yêu cầu cho hoá tiêu thụĐược sử dụng rộng rãi chất phụ trợ thường không ổn Nam Phi nơi có điều định.Yêu cầu khối tích lớn so Bardenpho kiệnvề tài UCT Luân chuyển vùng Anoxic để với trình A2/O Chưa có cơng trình thực tế loại bỏ q trình tái hợp Nitrat Mỹ.Ảnh hưởng nhiệt độ đến cung cấp môi trường tách hiệu suất trình chưa phơtpho tốt vùng chuẩn hố.Tỷ suất BODF u cầu Anaerobic.Dung tích ngăn phản caoNhững yêu cầu hoá chất ứng nhỏ hẹp so với q trình phụ trợ khơng ổn địnhTuần hoàn Bardenpho nội vi rộng làm tăng điện tiêu Các trình Ưu điểm Nhược điểm thụ máy bơm yêu cầu vận hành bảo dưỡng Tuần hồn nitrat qua vùng anoxic để giảm lượng ơxy u cầu lượng kiềm tiêu thụ.Luân phiên Tuần hoàn nội vi rộng làm tăng điện nước thải từ vùng anoxic sang vùng tiêu thụ máy bơm anaerobic để giảm lượng nitrat yêu cầu vận hành bảo dưỡng.Chỉ vùng hiếu khí.Có thể áp dụng áp dụng hạn chế VIP để xử lý Nitơ tạm thời phốt MỹNhiệt độ thấp làm giảm khả quanh năm tách Nitơ Bài viết Anh Lê Quý Trình ... đến 4.3 Khử nitrit nitrat: Trong môi trường thiếu ôxy loại vi khuẩn khử nitrit nitrat Denitrificans (d ạng kị khí tu ỳ tiện) tách ôxy nitrat (NO3-) nitrit (NO2-) để ơxy hố chất hữu Nitơ phân tử... trao đổi chất nhỏ nhiều lần so với sinh khối tạo thành trình dị dưỡng Q trình Nitrat hố từ Nitơ Am ni chia làm hai bước có liên quan tới hai lo ại vi sinh vật , vi khuẩn Nitơsomonas Vi khuẩn Nitơbacteria... Nitơbacteria giai đoạn am ni chuyển thành nitrit bước thứ hai nitrit chuyển thành nitrat Bước NH4- + 1,5 O2 –> NO2- + 2H+ + H2O Bước NO-2 + 0,5 O2 –> NO3Các vi khuẩn Nitơsomonas Vi khuẩn Nitơbacteria sử