58Crow Creek WWTP (Cheyenne,
2.3.3. Xử lý thiếu khí (anoxic)[1, 3, 4, 9]
Trong quá trình xử lý hiếu khí (oxy hóa) các thành phần hữu cơ sinh hủy chuyển hóa thành hợp chất bền như H2O và CO2 cùng một phần chuyển hóa thành tế bào vi sinh vật.
Hợp chất nitơ, phần lớn nằm dưới dạng amoni (hình thành từ quá trình thủy phân hợp chất nitơ với tốc độ khá nhanh) được vi sinh vật sử dụng một phần nhỏ (không quá 10 mg/l) để xây dựng tế bào và chủ yếu chuyển hóa thành nitrit và nitrat. Tỷ lệ nitrit/nitrat được quyết định bởi điều kiện phân hủy hiếu khí và bản chất của nước thải. Với nồng độ amoni ban đầu cao như trong nước rác, nitrit chiếm một tỷ lệ cao trong cơ cấu sản phẩm sau quá trình xử lý hiếu khí. Hợp chất nitơ ở dạng oxy hóa (nitơ có hóa trị dương) chưa phải là dạng bền trong môi trường, vì thế
67
chúng cần được xử lý tiếp về trạng thái nitơ dạng khí có hóa trị không (N2) là dạng bền, không độc với môi trường.
Quá trình chuyển hóa nitơ từ hóa trị dương (NO3- , NO2- , NO, N2O tương ứng với hóa trị +5, +3, +2, +1) và về hóa trị không (N2) về bản chất hóa học là quá trình khử (giảm hóa trị từ dương về không), trong đó các hợp chất nitơ hóa trị dương đóng vai trò chất oxy hóa (nhận điện tử). Để có thể khử các hợp chất nitơ cần phải có các chất có khả năng cho điện tử. Các chất có khả năng cho điện tử (chất khử) có khá nhiều: chất hữu cơ, sunfua, hydro, ...hoặc các chất vô cơ có hóa trị thấp như Fe2+
, Mn2+ , ... tuy nhiên thông dụng và thuận lợi nhất là các chất hữu cơ. Trong hệ xử lý tồn tại chất hữu cơ (chất khử, cho điện tử) và chất nhận điện tử (hợp chất nitơ hóa trị dương), chỉ xảy ra phản ứng oxy hóa khử nếu trong đó không có oxy (chất oxy hóa nhận điện tử) vì oxy dễ phản ứng với chất hữu cơ hơn so với phản ứng của chất hữu cơ với hợp chất nitơ hóa trị dương, do năng lượng oxy hóa giữa chất hữu cơ với oxy cao hơn. Vì vậy điều kiện để khử hợp chất nitơ hóa trị dương với chất hữu cơ là môi trường không có oxy - môi trường thiếu khí (anoxic).
Môi trường thiếu khí có thể quan sát thông qua nồng độ oxy hoặc thế oxy hóa khử (ORP - oxidation reduction potential), trong môi trường thiếu oxy giá trị ORP thấp.
Đặc trưng quan trọng nhất về phương diện hóa học là quá trình khử xảy ra theo giai đoạn nối tiếp nhau, từ hóa trị cao (của N) xuống thấp dần và đạt tới giá trị cuối cùng là không:
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
Quá trình trên ngược với quá trình oxy hóa amoni trong xử lý hiếu khí là tăng dần hóa trị từ amoni (-3) đến nitrit (+3) và đến nitrat (+5).
Quá trình thiếu khí xảy ra đồng thời với quá trình hiếu khí. Trong kỹ thuật xử lý dạng lưu thể (vi sinh vật phát triển dính bám trên các giá thể và phân bố đều trong toàn bộ thể tích), phía ngoài màng vi sinh dính bám có nồng độ oxy cao hơn so với bên trong do tốc độ khuyếch tán oxy qua màng thủy lực có giới hạn và liên tục bị tiêu thụ do các phản ứng sinh hóa học theo chiều khuyếch tán từ ngoài vào.
68
Vì lý do đó nên phía trong của lớp màng vi sinh (biên giới phân pha với giá thể) thường có ít oxy tạo nên điều kiện thiếu khí và vì vậy xảy ra quá trình khử nitrat.