58Crow Creek WWTP (Cheyenne,
2.3.2. Xử lý hiếu khí (aerobic)[1, 3, 4, 9]
Đối tượng cần được quan tâm xử lý trong nước rác chính là hợp chất nitơ (chủ yếu là amoni), thành phần hữu cơ (COD) chỉ là phụ. Xử lý được amoni thì COD đã tự động được xử lý.
Xử lý COD (phần có khả năng sinh hủy) được thực hiện chỉ qua một bước là tới sản phẩm bền (H2O, CO2) bởi chủng loại vi sinh vật dị dưỡng có tốc độ phát triển cao do quá trình oxy hóa chất hữu cơ với oxy hòa tan sinh ra nhiều năng lượng.
62
Xử lý amoni hay hợp chất hữu cơ chứa nitơ bằng phương pháp vi sinh trải qua nhiều giai đoạn: oxy hóa amoni thành nitrit, nitrat với oxy do chủng vi sinh
nitrosomonas và nitrobacter tiến hành nối tiếp nhau. Giai đoạn tiếp theo là khử nitrit và nitrat về dạng khí nitơ do chủng vi sinh tùy nghi dị dưỡng. Xử lý hợp chất nitơ so với COD trong nước thải khó khăn và tốn kém hơn rất nhiều do phải thực hiện qua nhiều giai đoạn và điều kiện để thực hiện trong từng giai đoạn cũng phức tạp hơn.
Thực hiện oxy hóa các chất hữu cơ trong quá trình hiếu khí đòi hỏi các điều kiện: lượng oxy hòa tan ở mức 2- 3 g/m3, mật độ vi sinh 2 - 4 g/l, thời gian lưu tế bào thấp hơn 10 ngày, khoảng pH cho phản ứng rộng, 1 g COD (loại sinh hủy) tiêu thụ khoảng 1,2 g oxy. Hiệu suất tạo thành sinh khối khoảng 0,4 g sinh khối/g COD. Oxy hóa amoni thành nitrit do chủng vi sinh nitrosomonas thực hiện:
4NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O + 4H+ (2.11) Bước oxy hóa tiếp theo thành nitrat do vi sinh Nitrobacter thực hiện:
2NO2- + O2 → 2NO3- (2.12) Điều kiện để duy trì phản ứng (2.11), (2.12) gồm:
- pH tối ưu nằm trong khoảng 7,6 - 8,6; - 1g NH4+ tiêu thụ hết 7,2 g kiềm HCO3-;
- Hiệu suất tạo sinh khối tự dưỡng khoảng 0,15 g/g NH4+;
- Do tốc độ phát triển vi sinh tự dưỡng chậm nên thời gian lưu tế bào lớn, thông dụng có thể 30 - 40 ngày (thời gian lưu tế bào tỷ lệ nghịch với hoạt độ vi sinh vật).
Ảnh hưởng của nồng độ amoni ban đầu
Động học của quá trình oxy hóa amoni (nồng độ amoni theo thời gian) được xử lý theo phản ứng động học bậc 1, tức là tốc độ phản ứng phụ thuộc tuyến tính với nồng độ amoni tại thời điểm đó.
dC/dt = - kC (2.13)
Giả thiết quá trình oxy hóa amoni là phản ứng bậc 1 thật ra là một sự đơn giản hóa nhiếu so với bản chất của hệ phản ứng: trong hệ xảy ra đồng thời phản ứng
63
oxy hóa của amoni và chất hữu cơ, cả amoni và chất hữu cơ đều phản ứng với tác nhân oxy hòa tan, cả hai phản ứng oxy hóa trên không trực tiếp (tiếp xúc, va chạm) chuyển hóa mà là một quá trình sinh hóa xảy ra trong tế bào của vi sinh vật. Tuy vậy quá trình oxy hóa amoni và COD được thực hiện bởi hai chủng vi sinh khác nhau nên có thể coi chúng là độc lập đối với nhau hoặc ít ảnh hưởng trực tiếp. Tác nhân tham gia vào phản ứng oxy hóa là oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng có thể xem là không đổi trong thời gian xảy ra phản ứng nên có thể coi là chúng được chứa trong hằng số tốc độ phản ứng k. Vì vậy phản ứng oxy hóa amoni được coi là phản ứng giả bậc một và được xử lý như phản ứng bậc một nhằm đánh giá tốc độ phản ứng thông qua hằng số k.
Biểu thức (2.13) được tích phân và viết dưới dạng tường minh: C = C0.Exp(-kt) (2.14)
Trong đó: C0, C là nnồng độ amoni ban đầu ( t = 0) và tại thời điểm t. Giá trị của k thể hiện tốc độ của phản ứng, tốc độ lớn ứng với k lớn và ngược lại.
Từ biểu thức (2.14) có thể viết thành:
t = ln(C0/C)/k (2.15)
Để đạt được tiêu chuẩn thải C = 1 mg/l ứng với nồng độ ban đầu C0 là 112, 153, 357 mg/l và k tương ứng là 0,3525; 0,2111; 0,1352 cần thời gian sục khí cho mỗi trường hợp là 13,5; 23,8; 43,5 giờ.
Khi nồng độ amoni tăng thì hằng số tốc độ giảm. Mối tương quan này có thể do nguyên nhân sau: Xem mật độ vi sinh tự dưỡng là nguồn tiêu thụ thức ăn và amoni là thức ăn của chúng ( tỷ lệ F/M = food/microorganism). Khi tăng nồng độ amoni, nguồn cung cấp thức ăn tăng, nguồn tiêu thụ ổn định nên nguồn thức ăn giảm chậm - hằng số tốc độ phản ứng giảm.
Ảnh hưởng của chất hữu cơ - oxy hóa cạnh tranh
Oxy hóa amoni và COD xảy ra trong cùng điều kiện hiếu khí do hai chủng loại vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng thực hiện. Trong từng bãi rác khác nhau hoặc trong từng thời điểm khác nhau tỷ lệ giữa COD và NH4 là khác nhau và vì vậy chúng ảnh hưởng đến quá trình xử lý.
64
Về nguyên tắc hai quá trình oxy hóa amoni và COD xảy ra độc lập với nhau, trong trường hợp lượng oxy được thỏa mãn cho cả hai phản ứng trên thì chúng sẽ ít phụ thuộc vào nhau. Tuy nhiên nồng độ oxy đo được là lượng tan trong môi trường nước, không phải là lượng oxy trực tiếp tham gia phản ứng. Vi sinh vật trong hệ tồn tại ở dạng màng vi sinh dính bám trên các giá thể và được đảo trộn đều trong nước (hệ lưu thể), vi sinh vật tự dưỡng hay dị dưỡng ở phía ngoài của lớp màng nhận được nhiều oxy hơn ở phía trong do tốc độ khuyếch tán của oxy qua lớp màng thủy lực có giới hạn.
Nhìn chung quá trình oxy hóa COD thuận lợi hơn so với oxy hóa amoni, tất nhiên là đối với COD có khả năng sinh hủy (biodegradable), do vi sinh dị dưỡng có tốc độ phát triển cao, năng lượng do phản ứng sinh hóa tạo ra lớn và lượng oxy cần thiết thấp. Xử lý COD không những có thể thực hiện thông qua xử lý hiếu khí mà còn xử lý được thông qua quá trình yếm khí và thiếu khí. Trong quá trình xử lý thiếu khí cần một lượng chất hữu cơ nhất định để khử nitrat và nitrit. Để khử được một đơn vị nitơ cần khoảng 3 đơn vị COD; theo tỷ lệ đó thì lượng COD trong nước rác sẽ không đủ để khử nitrit, nitrat, vì vậy trong quá trình xử lý cần hạn chế sự hao hụt COD.
Hiệu ứng cạnh tranh về phương diện oxy hóa thì bất lợi nhưng lại thuận lợi cho quá trình khử nitrat.
Sự hình thành nitrit và nitrat
Oxy hóa amoni trong điều kiện hiếu khí trải qua hai giai đoạn kế tiếp nhau: đến hợp chất trung gian là nitrit và tiếp theo tới nitrat do hai chủng loại vi sinh khác nhau là nitrosomonas và nitrobacter thực hiện. Khi thực hiện quá trình khử nitrat thì nitrit cũng lại là hợp chất trung gian của quá trình chuyển hóa nitrat về nitơ.
Oxy hóa amoni về phương diện hóa học xảy ra theo hai giai đoạn kế tiếp nhau:
NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + H2O + 2H+ NO2- + 0,5 O2 → NO3-
65
Để oxy hóa amoni thành nitrit thì mỗi nguyên tử nitơ cần nhường tới 6 điện tử và thành nitrat thì phải nhường tới 8 điện tử. Sử dụng oxy phân tử (O2) làm chất nhận điện tử thì lượng oxy cần thiết tương ứng là 3,4g và 4,6g O2 cho 1g amoni (tính theo N) để oxy hóa tới nitrit và nitrat. Nitrat chưa phải là hợp chất cuối cùng (bền trong môi trường) trong quá trình xử lý, nó cần được tiếp tục chuyển hóa về dạng khí nitơ (N2 hóa trị 0). Quá trình chuyển hóa nitrat về dạng khí nitơ là quá trình khử nitrat. Sử dụng chất hữu cơ (COD) làm chất khử tương ứng với quá trình xử lý vi sinh thiếu khí. Quá trình này xảy ra theo nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, trong đó hóa trị của nitơ giảm dần từ 5 → 3 → 2 → 1 và về 0.
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
Như vậy, nitrit là hợp chất trung gian của cả hai quá trình oxy hóa và khử, do đó nếu bước oxy hóa mà dừng lại ở sản phẩm nitrit và bước khử xuất phát từ nitrit thì sẽ tiết kiệm được oxy và chất hữu cơ ( chất hữu cơ có khả năng sinh hủy trong nước rác rất nghèo, thường phải bổ sung từ nguồn ngoài vào, ví dụ: metanol, etanol, đường ...). Nếu chỉ oxy hóa đến nitrit thì năng lượng cấp khí chỉ bằng 75% so với oxy hóa đến nitrat và nếu tiến hành khử nitrit về khí nitơ thì lượng chất hữu cơ cần cho phản ứng chỉ bằng 60% so với khử nitrat về khí nitơ.
Điều kiện thuận lợi cho sự hình thành đến nitrit gồm:
- Thiếu oxy, cũng như nồng độ amoni cao (do oxy hóa amoni nhanh hơn oxy hóa nitrit từ 60 - 80%);
- Độ kiềm lớn trong nước thải do quá trình oxy hóa đến nitrit tiêu hao kiềm mạnh, quá trình oxy hóa nitrit đến nitrat không tiêu hao kiềm;
- Duy trì thời gian lưu tế bào thấp.
Hai yếu tố (cơ chất) có ảnh hưởng quan trọng đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh tự dưỡng là nồng độ amoni và oxy hòa tan, chúng tác động lên tốc độ sinh trưởng của của vi sinh theo dạng qui luật hàm Monod:
*
+ *
+ (2.16)
66
, m: Hằng số phát triển riêng và cực đại của vi sinh tự dưỡng. SN là nồng độ amoni, DO là nồng độ oxy hòa tan, KN, KDO là hằng số bán bão hòa của amoni và của oxy.
Ảnh hưởng của pH, nhiệt độ đôi khi được qui về cho m hoặc qui cho , tức là m
chứa các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ và pH hoặc không chứa các yếu tố trên. Do đó m sẽ có các giá trị khác nhau trong các trường nêu trên. Khi viết:
*
+ *
+ [ ] (2.17)
tức là m không chứa yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ và pH nên có thể đưa ra số liệu: khi tính toán chọn bước oxy hóa từ amoni thành nitrat (bước chậm nhất) với
m = 0,45 ngay-1 tại 150C. Trong trường hợp sử dụng phương trình (2.16) thì m đã chứa yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ và pH.
Tăng nồng độ oxy tạo thuận lợi cho quá trình oxy hóa amoni. Nồng độ oxy cũng tác động lên sự hình thành nitrit, nitrat và tỷ lệ giữa chúng.
Sự hình thành nitrit và nitrat trong quá trình xử lý hiếu khí là nét rất đặc trưng đối với nước rác, trong đó nồng độ nitrit thường là cao. Nguyên nhân của hiện tượng nồng độ nitrit cao trong quá trình xử lý hiếu khí là: độ kiềm lớn, nồng độ amoni ban đầu cao và tuổi bùn thấp.