2.2.4.1 Quá trình oxy hóa cacbon
a) Loại bỏ chất hữu cơ hòa tan
Quá trình này diễn ra khi vi sinh vật sử dụng các chất này như nguồn thức ăn, chuyển hóa một phần cacbon thành sinh khối mới và phần còn lại thành CO2. Khí CO2 sẽ bay đi còn sinh khối mới tạo thành sẽ được loại bỏ bằng quá trình lắng. Do một lượng lớn cacbon trong chất hữu cơ ban đầu bị oxy hóa thành CO2 nên quá trình loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan còn gọi là quá trình oxy hóa cacbon.
Quá trình vi sinh hiếu khí thích hợp dung để loại bỏ chất hữu cơ có nồng đô COD từ 50- 4000 mg/l. Ở nồng độ thấp hơn, quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính thường đảm bảo kinh tế hơn. Tuy nhiên, quá trình sinh hóa cũng thường được sử dụng để sử lý nước ngầm với nồng độ COD thấp hơn 50mg/l.
Quá trình kỵ khí thường được áp dụng với những loại nước thải có nồng độ hữu cơ cao, bởi vì quá trình này lkhông đòi hỏi cấp khí, sinh khối tạo thành ít, mặt khác còn thu được sản phẩm hữu ích là CH4. Cần lưu ý là khi áp dụng quá trình kỵ khí thì nồng độ được đề cập là các chất hòa tan. Các chất lơ lững và các hạt keo thường được loại bỏ bằng các tác nhân lý học hoặc hóa học. Một số ít trường hợp người ta cũng dung tác nhân sinh hóa để loại bỏ hỗn hợp gồm các chất hòa tan, hạt keo và các chất lơ lững.
Sau quá trình kỵ khí người ta thường áp dụng kết hợp quá trình hiếu khí để dòng thải ra đạt tiêu chuẩn xả thải. Tuy nhiên nếu nồng độ COD cần khử lớn hơn 50.000 mg/l thì quá trình hóa hơi và đốt bỏ thường cho hiệu quả cao hơn.
Có nhiều loại nước thải chứa một lượng đáng kể các hạt keo hữu cơ lơ lững mà quá trình lắng không thể loại bỏ được. Nếu được xử lý bằng quá trình sinh hóa (thường được sử dụng để loại bỏ chất hữu cơ hòa tan), phần lớn các chất này sẽ bám lên sinh khối và chuyền thành sản phẩm cuối cùng có tính ổn định – rất khó cho các hoạt động sinh học sau đó. Sự hình thành sản phẩm trên được xem như quá trình ổn định. Một số quá trình diễn ra trong quá trình sinh hóa :
+ Ổn định các chất hữu cơ không hòa tan + Biến đổi thành chất vô cơ không tan
2.2.4.2 Quá trình loại bỏ N
a) Nitrat hóa:
Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất chứa nitơ, đầu tiên là ammonia (NH4-N) thành nitrit (NO2-N) sau đó oxy hóa nitrit thành nitrat (NO3- N).
Bước 1: ammonium được chuyển hóa thành nitrit thực hiện bởi loài
Nitrosomonas :
NH4+ + 1.5 O2 NO2- + 2 H+ + H2O Bước 2: nitrit chuyển thành nitrat nhờ loài Nitrobacter :
NO2- + 0.5 O2 NO3-
Tổng hợp 2 phản ứng trên ta được NH4+ + 2 O2 NO3- + 2 H+ + H2O
Hai quá trình nitrit hóa và nitrat hóa tạo ra năng lượng cho sự sinh trưởng và phát triển của tế bào.
Cùng với năng lượng đạt được ammonia được tiêu thụ vào trong tế bào. Phản ứng tạo sinh khối :
4 CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7NO2 + 5 O2. Nitrat hóa cần thiết cho quá trình xử lý nước thải vì :
+ Ammonia tiêu thụ lượng oxy hòa tan (DO) của nguồn tiếp nhậnvà gây độc cho cá và các sinh vật thủy sinh.
+ Để kiểm soát quá trình phú dưỡng hóa.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa gồm có:
• pH:
+ Tốc độ nitrat hóa đạt cực đại khi pH nằm trong khoảng 7,2 – 9,0. + Tốc độ nitrat hóa giảm tuyến tính khi pH < 7,2.
+ Tốc độ nitrat hóa ở pH = 6,8 là 42% tốc độ nitrat hóa ở pH = 7,8 tại 150C.
Độ kiềm cần được thêm vào để duy trì pH phù hợp dưới dạng vôi, soda, natri bicacbonat ( NaHCO3).
• Độc tính :
+ Vi khuẩn nitrat hóa nhạy cảm với các hợp chất vô cơ/ hữu cơ, độc ở nồng độ thấp hơn nhiều so với vi khuẩn hiếu khí khử CHC.
+ Những hợp chất gây độc là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, tanin, phenol, benzen, rượu, ete, xianua….
• Kim loại:
Oxy hóa ammonia bị ức chế ở nồng độ 0,25 mg/l Ni, 0,25 mg/l Cr và 0,1 mg/l Pb. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Ammonia:
Oxy hóa ammonia bị ức chế khi nồng độ ammonia từ 5-20 mg/l.
• Nồng độ oxy hòa tan (DO):
+ Tốc độ oxy hóa tốt khi nồng độ DO đạt 4-7 mg/l.
+ Ở DO = 1 mg/l, tốc độ chỉ bằng 90% tốc độ ở nồng độ DO cao hơn. + Tốc độ nitrat hóa trong bùn hoạt tính tăng gấp đôi khi nồng độ DO tăng từ 1 lên 3mg/l.
Đồng hóa
O2 tự oxy hóa và tự phân hủy
Nitrat Hợp chất chứa cacbon Hóa O2
Hình 2.9: Chuyển hóa nitơ trong quá trình xử lý sinh học.
b) Khử nitrat hóa:
Khử nitrat hóa là bước thứ hai sau quá trình nitrat hóa, là quá trình khử nitrat (NO3-N) thành khí nitơ (N2) trong môi trường thiếu khí (anoxic) và đòi hỏi một chất cho electron hữu cơ hay vô cơ.
Phản ứng khử nitrat hóa bao gồm các bước sau:
NO3- NO2- NO N2O N2 Chất cho điện tử từ 1 trong 3 nguồn :
+ BOD trong nước đầu vào.
+ Nguồn cacbon của tế bào trong quá trình phân hủy nội bào. + Nguồn từ bên ngoài như methanol hoặc acetate
Nước thải:
C10H19O3N + 10 NO3- 5 N2 + 10 CO2 + 3H2O + NH3 + 10 OH- Methanol:
5 CH3OH + 6 NO3- 3N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- Acetate:
5 CH3COOH + 8NO3- 4 N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8OH- Nitơ hữu cơ
( protein, urê )
Nitơ ammonia
Nitơ hữu cơ ( tế bào vi khuẩn )
Nitơ hữu cơ (tế bào chết xả
theo bùn )
Nitrit ( NO2- )
Nitrat ( NO3+-) Khí nitơ( N
Hầu hết vi khuẩn khử nitrat hóa là dị dưỡng, chúng lấy cacbon cho tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat hóa:
• Dạng và nồng độ chất nền chứa cacbon:
Chất nền chứa cacbon tan, phân hủy sinh học nhanh sẽ thúc đẩy tốc độ khử nitrat nhanh nhất. Methanol được sử dụng rộng rãi nhất, ngoài ra có thể dùng các chất thải hữu cơ công nghiệp như chất thải bia và cất rượu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Nồng độ DO:
Loài Psuedomonas bị ức chế ở nồng độ DO >= 0,2 mg/l.
Tốc độ khử nitrat hóa ở nồng độ DO = 0,2 mg/l chỉ bằng một nủa tốc độ khử ni trat ở nồng độ DO = 0 mg/l.
DO tăng lên 2 mg/l thì tốc độ khử nitrat chỉ bằng 10% tốc độ khử ở nồng độ DO là 0 mg/l
• Độ kiềm và pH:
Độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrat làm tăng nhẹ pH, thay vì bị giảm trong phản ứng nitrat hóa.
Vi khuẩn khử nitrat hoạt động mạnh ở pH = 6,5 – 8,5.
• Thời gian lưu cặn:
Lượng nitrat khử dược với lượng chất nền chứa cacbon đã cho phụ thuộc vào thời gian lưu bùn. Thời gian lưu bùn lâu hơn, thành phần electron trong chất nền (chất cho electron) sẽ đi đến chất nhận nhiều hơn đi vào sinh khối. Lượng nitrat sẽ bị khử nhiều hơn.
Nước vào nước ra
Bùn tuần hoàn
Bùn dư Hình 2.10: Quá trình bùn hoạt tính
2.2.4.3 Quá trình loại bỏ P
Vi khuần sử dụng phospho để tổng hợp thành tế bào và vận chuyển năng lượng, kết quả là 10-30% lượng phospho bị khử trong quá trình khử BOD. Khử phospho được thực hiện bằng cách lắng thành cặn để loại bỏ các tế bào chứa lượng phospho trong quá trình sinh sản và hoạt động. Cơ chế của quá trình khử phospho bằng phương pháp sinh học diễn ra như sau:
+ Trong điều kiện kỵ khí các acid béo bay hơi được vi khuẩn đồng hóa thành các sản phẩm chứa bên trong tế bào, đồng thời với việc giải phóng phospho.
Trong điều kiện hiếu khí, một số loài vi sinh vật như Acinetobacter,
Psuedomonas, Aerobacter, Moraxella, E.coli, Mycobacterrium, Beggiatoa, gọi
chung là vi khuẩn poly phospho có khả năng tích lũy phospho với lượng lớn hơn nhu cầu của tế bào, khoảng 1-3% trọng lượng khô của tế bào.
+ Khi các tế bào này tạo thành bông cặn và lắng xuống đáy bể lắng, phospho chứa trong cặn lắng sẽ được thu hồi và xử lý riêng. Mặt khác người ta có thể tận dụng cặn này như là chất men để tác dụng với acid béo bay hơi làm tăng hiệu quả quá trình khử phospho.
+ Đặc điểm chung của tất cả các phương án sinh hóa xử lý phospho là sự luân phiên thay đổi của quá trình kỵ khí và hiếu khí. Như vậy việc khử phospho đòi hỏi phải đồng thời xảy ra hai quá trình sinh học hiếu khí và kỵ khí.
Khử nitrat (anoxic)
Nitrathóa
Nước vào
Bể lắng bể lắng
Tuần hoàn bùn
Cặn dư Hình 2.11: Sơ đồ dây chuyền xử lý phospho
Dể khử phospho đòi hỏi trong nước thải phải có BOD/P lớn hơn 10/1 để cung cấp đủ chất nền cho việc phát triển vi sinh khử phospho. Quá trình thay đổi điều kiện yếm khí, hiếu khí trong dây chuyền xử lý bằng cách tuần hoàn lại sinh khối qua bể yếm khí hoặc qua bể hiếu khí.
Nước vào
Bể lắng
Tuần hoàn bùn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cặn dư Hình 2.12: Sơ đồ dây chuyền khử nitơ và phospho kết hợp
Bể yếm khí Bể hiếu khí
Bể