Sunfua có thể được sinh ra trong môi trường kỵ khí của lớp bùn (lớp màng sinh học), trong đó có thể có sự thâm nhập từng phần của ô xy. Trong trường hợp này, quá trình ô xy hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh diễn ra trong màng sinh học có chứa ô xy và nitrat, tạo thành một chu trình lưu huỳnh nhỏ bên trong lớp màng sinh học trong HTTN thải (Hình 1.4.a) [72, 86, 113]. Các vi khuẩn thuộc chi Thiothrix,
Thiobacillus denitrificans và Thiomicrospira denitrificans đã được tìm thấy trong màng sinh học hình thành sunfua [112]. Điều kiện môi trường để sunfua hình thành trong HTTN thải với số lượng lớn là DO trong nước thải phải ở mức thấp (0,1 gO2/m3 đến 1 gO2/m3, và tùy thuộc vào nhiệt độ, điều kiện dòng chảy [70, 110, 142, 153].
Khi sunfua có mặt trong nước thải hoặc nước thải yếm khí thiếu ô xy, sunfua bị loại bỏ do quá trình ô xy hóa. Các quá trình ô xy hóa của sunfua với nitrat là quá trình sinh học [168], và có thể xảy ra cùng với cả quá trình ô xy hóa hóa học và sinh học của sunfua với ô xy [111]. Các sản phẩm chính trong quá trình ô xy hóa hóa học các CHC chứa lưu huỳnh là thiosunfat và sunfat, trong khi sản phẩm được hình thành trong quá trình ô xy hóa sinh học là lưu huỳnh (Hình 1.4.b) [111, 113].
Hình 1.4. Chu trình lưu huỳnh trong màng sinh học của HTTN thải
MeS: Sunfua kim loại
Nguồn: Kuhl và Jorgensen, 1992; Okabe và nnk, 2005; Nielsen và nnk, 2006a; Jensen, 2009 [72, 86, 111, 113].
23
Sử dụng mô hình hóa, Nielsen (2006b) đã chỉ ra trong phần hạ lưu của HTTN thải không áp hoặc HTTN thải có áp, quá trình ô xy hóa sunfua sinh học diễn ra ở màng sinh học trong nước thải là các quá trình chính để loại bỏ các sunfua trong nước thải [112].
Sự ô xy hóa hiếu khí của sunfua thành axít sunfuric diễn ra rất phức tạp và được chia thành nhiều bước. Robert và nnk (1991) đã mô tả tóm tắt quá trình này
trong sơ đồ được trình bày trong hình 1.5 [131].
Hình 1.5. Sự ô xy hóa sunfua theo các trạng thái ôxy hóa của lưu huỳnh
Nguồn: Robert và nnk, 1991 [131]. Buisman và nnk (1991) và Janssen và nnk (1997) cũng chỉ ra rằng 2 quá trình quan trọng nhất trong chuyển hóa sinh học của quá trình ô xy hóa sunfua trong điều kiện hiếu khí là do các sinh vật thuộc chi Thiobacillus, theo các phản ứng được mô tả như trong phương trình 1.1 và 1.2 [36, 71]:
2 HS- + O2 Æ 2 S0 + 2 OH- (1.1) 2 HS- + 4 O2 Æ 2 SO42- + 2 H+ (1.2)
24
Phần lớn năng lượng sinh ra trong quá trình chuyển hóa sinh học là do sự ô xy hóa sinh học các dạng sunfua thành sunfat. Sự ô xy hóa sunfua thường xuất hiện theo các bậc năng lượng khác nhau, với các trạng thái ô xy hóa khử khác nhau, với sự hình thành nguyên tố lưu huỳnh là sản phẩm trung gian [131]. Trong trường hợp thiếu ô xy, sự chuyển hóa có thể chỉ hình thành các sản phẩm trung gian là nguyên tố lưu huỳnh với mức năng lượng sinh ra ở mức thấp. Các phương trình mô tả quá trình ô xy hóa sunfua được biểu diễn trong các phương trình 1.3 đến 1.6 [93]:
H2S + 2 O2 Æ SO42- + 2 H+ (∆G0 = -798,2 kJ/mol) (1.3) HS- + 1/2 O2 + H+ Æ S0 + H2O (∆G0 = -209,4 kJ/mol) (1.4) S0 + H2O +3/2O2 Æ SO42- + 2H+ (∆G0 = -587,1 kj/mol) (1.5) 1/2 S2O32- + 1/2 H2O + O2 Æ SO42- + H+ (∆G0 = -409,1 kj/mol) (1.6)
Nguồn: Manz và nnk, 1998 [93].