Sự suy giảm Nitrate bao gồm các bước sau:
3 2 ( ) 2 ( ) 2( )
NO− ⇒NO− ⇒NO g ⇒N O g ⇒N g
Chất cho điện tử bao gồm 3 nguồn: bsCOD dòng thải vào, bsCOD sản sinh từ phân huỷ nội bào, bổ sung từ bên ngoài (methanol, acetate…). Các phương trình biểu thị (trong đó chất hữu cơ có thể phân huỷ sinh học được đặt bởi C10H19O3N):
Nguồn thải 3 10 19 3 2 2 2 3 10NO−+5C H O N ⇒5N +10CO +3H O NH+ +10OH− Methanol 3 3 2 2 2 6NO−+5CH OH ⇒3N +5CO +7H O+6OH− Acetate 3 3 2 2 2 8NO−+5CH OOH ⇒4N +10CO +6H O+8OH− Methane 3 4 2 2 2 8NO−+5CH ⇒4N +5CO +6H O+8OH−
Trong tất cả phản ứng khử dị dưỡng trên, lượng Nitrate khử được lại sinh ra
trình Nitrate hoá ta thấy cứ 7,14 g CaCO3 dùng oxy hoá 1 g Ammonia, vì vậy khoảng 1 nữa lượng Nitrate bị phân huỷ có thể được hồi phục lại
Lượng Oxygen sử dụng Nitrate hay Nitrite như chất nhận điện có thể xác định.
Các phản ứng trao đổi mỗi mole e- được xác định bởi:
Oxygen 2 2 0, 25O +H++ ⇒e− 0,5H O Nitrate 3 2 2 0, 2NO−+1, 2H++ ⇒e− 0,1N +0, 6H O Nitrite 2 2 2 0,33NO +1,33H++ ⇒e− 0,67H O+0,17H O
Ta thấy 0,25 mole oxy thì tương ứng với 0,2 mole Nitrate để trao đổi điện tử. Vì vậy oxy tương đương cho Nitrate (0,25*32 g Oxygen/mole) chia với lượng Nitrate tương đương (0,2*14 g Nitrogen/mole) bằng 2,86 g Oxygen/ g Nitrogen (dạng Nitrate). Lượng Oxygen tương đương này dùng để tính lượng Oxygen cung cấp cho hệ thống xử lý sinh học Nitrate-khử Nitrate. Tương tự, lượng Oxygen tương đương cho Nitrite là 1,71 g Oxygen/g Nitrogen (dạng Nitrite)
Tham số thiết kế quan trọng cho quá trình khử Nitrate là lượng bsCOD (BOD) thích hợp làm chất cho điện tử. Barth (1968) ước tính cứ 4 g BOD cần có để giảm 1 g Nitrate, tuy nhiên còn phù thuộc vào điều kiện và loại chất cho điện tử
1.6.2.2.2.3. Quá trình động học
Mật độ của quá trình khử Nitrate khác nhau phụ thuộc vào kiểu vào nồng độ của hợp chất đóng vai trò là cơ chất. Các cơ chất hoà tan phân huỷ sinh học nhanh thì mật độ càng cao, ngoài ra nó còn chịu ảnh hưởng lớn bởi: nồng độ DO, pH, nhiệt độ…
Trong khử Nitrate sinh học, phương trình mô tả sinh trưởng vi sinh và sử dụng cơ chất thì giống nhau. Mật độ sử dụng cơ chất hoà tàn còn chịu ảnh hưởng bởi nồng độ cơ chất hoà tan với nồng độ Nitrate.
Có 2 phương pháp thường sử dụng cho sự kiểm soát mật độ khử Nitrate bởi mật độ sử dụng cơ chất: Quá trình thiếu khí-hiếu khí (cơ chất hữu cơ đóng vai trò là chất cho điện tử từ dòng thải vào phản ứng thiếu khí) và quá trình thiếu khí phía sau (khử Nitrate thực hiện sau bể lắng thứ cấp, nguồn Carbon cung cấp thêm)
Về cơ bản, dòng thải đóng vai trò là chất cho điện tử, sinh trưởng vi sinh dị dưỡng xảy ra trong cả 2 vùng hiếu khí và kị khí cùng với sự tiêu huỷ, hô hấp Nitrate và Oxygen. Nồng độ sinh khối hỗn dịch chất lỏng có thể tính dựa vào lượng BOD loại bỏ, nhưng chỉ có một phần sinh khối sử dụng cả Oxygen và Nitrogen làm chất nhận điện tử, phần còn lại chỉ sử dụng Oxygen. Ứng dụng để mô tả động học cho quá trình khử Nitrate, mật độ sử dụng cơ chất được mô tả bởi:
* * * su s k X S r K S η = +
Với η là hệ số của vi khuẩn khử Nitrate trong sinh khối, g VSS/g VSS
Mật độ sử dụng cơ chất riêng tối đa (k) khi sử dụng Nitrate làm chất nhận điện
tử thường nhỏ hơn so với sử dụng Oxygen. Giá trị η thường trong khoảng 0,2-0,8
đối với quá trình thiếu khí-hiếu khí. Trong quá trình thiếu khí phía sau thì η có thể xem như bằng 1 (không xét đến)