2.3.2.1. Quá trình xử lý yếm khí
Quá trình xử lý đƣợc dựa trên cơ sở phân hủy các chất hữu cơ giữ lại trong công trình nhờ sự lên men kị khí. Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kị khí chủ yếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bƣớc sau đây:
- Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn nhƣ monosacarit, axit amin hoặc muối piruvat khác. Đây là nguồn dinh dƣỡng và năng lƣợng cho vi khuẩn hoạt động.
- Các nhóm vi khuẩn kị khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa các chất hữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thƣờng nhƣ axit axetic hoặc glyxerin, axetat,...
CH3CH2COOH + H2O CH3COOH + CO2 + 3H2 axit Propionic axit axetic
CH3CH2CH2COOH + H2O 2CH3COOH + 2H2 axit Butyric axit axetic
- Các nhóm vi khuẩn kị khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩn lên men mêtan nhƣ Methnothrix, Methanosarcina) đã chuyển hóa axit axetic và hydro thành CH4 và CO2
CH3COOH CO2 + CH4 CH3COO + H2O CH4 + HCO3- HCO3- + 4 H2 CH4 + 2H2O + OH-
2.3.2.2. Quá trình xử lý hiếu khí
Quá trình xử lý nƣớc thải đƣợc dựa trên sự oxy hóa các chất hữu cơ có trong nƣớc thải nhờ ôxy tự do hòa tan. Trong môi trƣờng xử lý hiếu khí, trong nƣớc thải xảy ra đồng thời quá trình khử BOD và quá trình khử các hợp chất chứa Nitơ bởi các vi sinh vật hoạt động cần có oxy không khí.
* Quá trình khử BOD
Sự chuyển hóa các chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng nhờ vi khuẩn hiếu khí đƣợc biểu diễn theo các phƣơng trình sau:
- Đồng hóa (Catabolism):
CxHyOzN + O2 CO2 + H2O + NH3 + H
Các hợp chất hydrat cacbon bị phân huỷ hiếu khí chủ yếu theo phƣơng trình này.
- Dị hóa (Anabolism):
CxHyOzN + Năng lƣợng C5H7NO2 (Tế bào chất)
- Tự phân hủy (Autolysis):
C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + H
Động học của quá trình đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình [9]:
K X S K XS r d S m t ) ( , (2.1)
Hay: rt, Yrd KdX
(2.1.a) Trong đó:
,
t
r - Tốc độ tăng trƣởng riêng thực tế của tế bào vi khuẩn, (l/s)
m
- Tốc độ tăng trƣởng riêng cực đại, (l/s)
S - Nồng độ cơ chất trong nƣớc thải ở thời điểm sự tăng trƣởng bị hạn chế X - Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m3; mg/l)
KS - H ng số bán bão hoà, thể hiện ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất ở thời điểm tốc độ tăng trƣởng b ng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l)
Kd - Hệ số phân huỷ nội bào
Y - Hệ số năng suất sử dụng cơ chất cực đại, mg/mg (là tỉ số giữa khối lƣợng tế bào và khối lƣợng cơ chất đƣợc tiêu thụ trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trƣởng logarit)
rd - Tốc độ sử dụng cơ chất, (g/m3)
* Quá trình khử các hợp chất chứa Nitơ
+ Quá trình amôn hoá:
Quá trình đồng hoá khử các hợp chất chứa nitơ thành NH4+
xảy ra đồng thời với quá trình khử BOD trong xử lý sinh học hiếu khí.
Trong quá trình khử Nitơ, các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ trong phân tử nhƣ các protein, các sản phẩm phân huỷ trung gian (các peptit, pepton, các axit amin) bị phân huỷ và sản phẩm tạo thành là NH4+.
NH4+ tạo thành đƣợc các loài vi khuẩn sử dụng làm nguồn nitơ dinh dƣỡng, enzym mới và tế bào mới; tảo và các thực vật nổi khác cũng dùng nguồn nitơ này cùng với CO2 và phốtpho để tiến hành quang hợp.
+ Quá trình Nitrat hoá:
Khoảng 20-40% NH4+ bị đồng hoá thành vỏ tế bào theo phƣơng trình: NH4+ + 4CO2 + HCO3- + H2O C5H7O2N + 5O2
Lƣợng NH4+ dƣ không dùng hết cho việc xây dựng tế bào sẽ đƣợc chuyển hoá thành nitrit và nitrat theo hai bƣớc:
- NH4+ bị oxy hoá thành Nitrit (NO2-) do tác động của vi khuẩn nitrit hoá theo phản ứng:
NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O
- Oxy hoá Nitrit (NO2-) thành NO3- do tác động của vi khuẩn nitrat hoá theo phản ứng:
NO2- + 0,5O2 NO3-
* Động học quá trình:
Do tốc độ phát triển Nitrosomonas nhỏ hơn Nitrobacter nên nitrit hoá là bƣớc quyết định tốc độ quá trình. Khi đó có thể áp dụng phƣơng trình Monod mô tả quá trình phát triển vi sinh bị giới hạn bởi nồng độ cơ chất [9]
O O O NH NH NH A A S K S S K S (2.2) Trong đó: A
- Tốc độ phát triển riêng của vi khuẩn tự dƣỡng (ngđ-1)
A
- Tốc độ phát triển đặc trƣng cực đại (ngđ-1) SNH - Nồng độ NH4+, (mg N/L)
KNH - H ng số bán bão hoà đối với amoni, (mgN/L) SO - Nồng độ oxy hoà tan trong nƣớc, (mgO2/L) KO - H ng số bán bão hoà đối với oxy, (mgO2/L)
Quan hệ giữa tốc độ oxy hoá NH4+, rSU với tốc độ phát triển sinh khối đặc trƣng Ađƣợc thể hiện qua phƣơng trình:
A A SU Y r (2.3) Trong đó:
rSU - Tốc độ oxy hoá amoni (ngđ-1)
YA - Hiệu suất tạo vi khuẩn, gam vi khuẩn nitrat hoá sinh ra/g amoni bị oxy hoá.
2.3.2.3. Quá trình xử lý thiếu khí
Nitrobacter Nitrosomonas
Đây là quá trình khử nitrat có trong nƣớc thải. Nitrat trong quá trình này bị khử thành N2 nhờ các vi khuẩn dị dƣỡng hoạt động ở điều kiện thiếu khí, phổ biến nhất là Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocus, Spirilum và
Thiobacilus.
Quá trình đềnitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau: NO3- NO2- NO(k) N2O(k) N2(k)
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến nhất là metanol), H2, S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho e-, chất cho e- cho điện tử (bị oxy hoá) đồng thời N-NO3 nhận e- và bị khử về N2.
Quá trình khử N-NO3 với việc sử dụng nguồn cơ chất, lấy ví dụ là metanol làm nguồn cácbon đƣợc biểu diễn b ng các phƣơng trình sau [9]:
NO3- + 1,08 CH3OH + 0,24H2CO3 0,056C5H7O2N + 0,47N2 + 1,68H2O + HCO3- NO2- + 0,67 CH3OH + 0,53H2CO3 0,04C5H7O2N + 0,48N2 + 1,23H2O + HCO3-
* Động học quá trình:
Tốc độ của quá trình denitrat phụ thuộc vào bản chất cơ chất sử dụng. Cơ chất càng dễ phân huỷ sinh học càng tốt. Quá trình denitrat hoá là bậc không theo NO3-, rất phụ thuộc vào oxy hoà tan, pH, nhiệt độ và kiểu thiết bị phản ứng.
Một vài phƣơng trình mô tả quá trình denitrat nhƣ phƣơng trình Monod và một số phƣơng trình kinh nghiệm. Phần lớn các phƣơng trình kinh nghiệm đều coi bậc theo NO3- và S b ng không và bậc 1 theo nồng độ vi sinh. Thƣờng tốc độ khử NO3- tính b ng rv,X(g NO3--N/gMLSS.ng.đ)
Phƣơng trình Monod (Henze, 1986):
h b g O OH OH NO NO NO S S S H H H NO V X S K K S K S S K S Y Y r , , 86 , 2 1 (2.4)
Nếu bậc không theo S và NO3- ta có:
kX
Trong đó:
H
- Tốc độ phát triển đặc trƣng tối đa của vi khuẩn dị dƣỡng, (ng.đ-1)
g
- Phần vi khuẩn dị dƣỡng dùng NO3- nhƣ nguồn nhận e- Xb,h - Nồng độ vi khuẩn dị dƣỡng, (mg COD/L)
SS - Nồng độ cơ chất dễ tiêu thụ, (mg COD/L) KS - Hệ số bán bão hoà theo cơ chất, (mg COD/L) SO - Nồng độ oxy hoà tan trong nƣớc, (mgO2/L)
KOH - Hệ số bán bão hoà theo O2 cho quá trình phát triển vi khuẩn dị dƣỡng (mgO2/L)
SNO - Nồng độ N-NO3, (mgN/L)
YH - Hiệu suất tạo vi khuẩn dị dƣỡng, g sinh khối/g cơ chất COD
Các yếu tố ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến quá trình khử NO3- đƣợc nghiên cứu b ng thực nghiệm gồm:
+ Nồng độ NO3-; + Nồng độ cơ chất;
+ pH: Trị số pH tốt nhất cho quá trình khử NO3- b ng sinh học n m trong khoảng 6,5 - 7,5 tốt nhất là pH=7;
+ Nhiệt độ: nhiệt độ nƣớc ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình khử NO3- và đƣợc biểu thị bởi phƣơng trình:
P= 0,25 T2 (2.5)
Với:
P - Là phần trăm của tốc độ tăng trƣởng vi khuẩn khử nitrat T - nhiệt độ (0C).
2.3.2.4. Quá trình khử phốtpho
kết quả là từ 10-30% lƣợng phốtpho đƣợc khử trong quá trình khử BOD. Khử phốtpho đƣợc thực hiện b ng cách lắng cặn để loại bỏ các tế bào chứa lƣợng phốtpho trong quá trình sinh sản và hoạt động.
Cơ sở của quá trình khử phốtpho b ng vi sinh nhƣ sau:
- Một số vi khuẩn có khả năng chứa một lƣợng dƣ phốtpho nhƣ là polyphotphat trong tế bào của chúng;
- Một số sản phẩm lên men đơn giản đƣợc sinh ra trong điều kiện yếm khí nhƣ là axit béo bay hơi,... đƣợc các vi khuẩn đồng hoá thành các sản phẩm chứa bên trong tế bào đồng thời với việc giải phóng phốt pho;
- Trong điều kiện hiếu khí năng lƣợng sinh ra do oxy hoá polyphotphat và các sản phẩm khác chứa trong tế bào tăng lên.
Trong quá trình chuyển hoá năng lƣợng của tế bào vi khuẩn, một lƣợng phốtpho sinh học đƣợc sử dụng trong Adenozin Triphotphat (ATP) để tích luỹ năng lƣợng. Nhóm vi khuẩn Acinetobacter sp là vi khuẩn kị khí tuỳ tiện có khả năng tích luỹ polyphotphat trong sinh khối tƣơng đối cao.
Khả năng lấy phốtpho của vi khuẩn kị khí tuỳ tiện Acinetobacter sp sẽ tăng lên rất nhiều khi cho nƣớc thải luân chuyển qua các điều kiện yếm khí và hiếu khí.
Hình 2.1: Sơ đồ quá trình khử phốt pho trong nước thải bằng phương pháp sinh học [6]
Theo sơ đồ này phốtpho đƣợc tách ra khỏi nƣớc thải dƣới dạng polyphotphat trong bùn dƣ.