5.1. Tổng quan về quá trình chuyển hóa nitơ
5.1. Tổng quan về quá trình chuyển hóa nitơ :
Trong nước thải chế biến thủy sản thành phần chủ yếu là các protein và các axit amin. Qua quá trình xử lý sơ bộ và hóa lý chúng tồn tại ở dạng amoni hoặc NH3, và sau đó được các nhóm vi sinh vật chuyễn hóa thành các hợp chất đơn giản hơn và cuối cùng đưa về dạng khí trơ.
Quá trình chuyển hóa từ các hợp chất chứa nitơ thành nitơ không khí xảy ra hai giai đoạn chính:
-Giai đoạn nitrat hóa:(giai đoạn hiếu khí)
Khái niệm quá trình nitrit hoá:Diễn giải - các điều kiện và diễn biến.Với những điều kiện thích hợp (t oC > 4 oC và sự có mặt của ôxy) dưới tác dụng của những vi sinh vật hiếu khí sẽ diễn ra quá tình ôxy hoá nitơ của muốn amôn và tạo ra muối của axit nitơ (HNO2) - nitrit, rồi tiếp tục thành muối của axit nitric (HNO3) - nitrat. Quá trình đó gọi là quá trình nitrat hoá.
Nói cách khác: Quá trình nitrát hoá là quá trình ôxy hoá sinh hoá nitơ của các muối amôn, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dưới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện thích ứng (có ôxy và nhiệt độ trên 40C). Hai nhóm vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hóa:
- Vi khuẩn nitrit ôxy hoá amôniắc thành nitrít hoàn thành giai đoạn thứ nhất; - Vi khuẩn nitrat ôxy hoá nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ 2 Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau
2 NH3 + 3 O2 = 2 HNO2 + 2 H2O 2 HNO2 + O2 = 2 HNO3
Hoặc:
(NH4)2CO3 + O2 = 2HNO2 + CO2 + 2 H2O. 2 HNO2 + O2 = 2 HNO3 .
Trong quá trình khử nitrat của nitrit (N2O5) thường phóng ít O2 hơn vì một phần O2 cần để tạo ra CO2 + H2O. Tức là 2 nguyên tử N giải phóng 3 nguyên tử ôxy: từ (N2O5) 1 g N giải phóng được (165)/ (142) = 2,85 g ôxy.
Ý nghĩa của quá trình nitrat hoá trong việc làm sạch nước thải: Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hoá các chất hữu cơ nhưng quan trọng hơn là quá trình nitrat hoá tích luỹ được một lượng ôxy dự trữ có thể ứng dụng để ôxy hoá các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng ôxy tự do (lượng ôxy hoà tan) đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó. Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hoá hoàn toàn các chất bẩn hữu cơ.
-Quá trình khử nitrat: (thiếu khí)
Quá trình khử nitrát là quá trình tách ôxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn khử nitrat). Ôxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để ôxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình này có kèm theo hiện tượng nitơ tự do được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.
-Ý nghĩa thứ hai của quá trình nitrat hoá :
Quá trình nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá (ôxy hoá) các chất hữu cơ chứa nitơ. Có mặt nitrat trong nước thải đã làm sạch là một trong những chỉ tiêu về mức độ làm sạch. Do đó cần phải có những công trình tạo những điều kiện thích hợp cho vi sinh vật nitrat.
5.2. Công nghệ xử lý nitơ :
5.2.1.Phương pháp sinh học hiếu khí:
-Xử lý hợp chất hữu cơ (theo BOD), Ni-tơ (N) và chất lơ lửng SS:
Quá trình loại bỏ ammonia nitrogen (NH4+) hay là quá trình nitrate hoá (nitrification) có thể thực hiện theo hai cách: (1) xử lý theo bậc, tức là quá trình xử lý chất hữu cơ BOD và xử lý ammonia nitrogen (NH4+) được thực hiện trong các công trình riêng biệt (hình 5.1 và 5.2 ) xử lý đồng thời, tức là loại bỏ chất hữu cơ (theo BOD) và ammonia nitrogen (NH4+) trong cùng một công trình (hình 5.2.).
Để thực hiện quá trình xử lý theo bậc, trong thực tế ứng dụng rộng rãi hệ vi sinh bám dính, dưới dạng công trình bể lọc sinh học (strickling filter hay biofilter)và các đĩa sinh học. Bể lọc sinh học ứng dụng cho quá trình nitrat hoá thông thường được bố trí sau bể aeroten, hoặc bể lọc sinh học bậc 1 khi nước thải đã bị loại bỏ hầu hết chất hữu cơ (BOD). Thông dụng nhất là xử lý qua 2 bậc
biofilter với các vật liệu lọc bằng chất tổng hợp có bề mặt bám dính riêng cao. Tải trọng thuỷ lực là thông số thiết kế quan trọng để tính toán bể biofilter cho quá trình nitrat hoá riêng. Hiệu suất xử lý ammonia nitrogen (NH4+) giảm đi khi tăng tải trọng thuỷ lực và giảm nhiệt độ nước thải. Trên thực tế, với tải trọng thuỷ lực khoảng 20,37 l/m2.phút thì hiệu quả xử lý nitơ amôn (NH4+) luôn luôn đạt được cao cho mọi mùa trong năm.
Bảng 5.1.Tải trọng hữu cơ tính toán cho bể lọc sinh học xử lý NH4+
Bể lọc sinh học (biofilter)
Hiệu quả xử lý(%) theo NH+ −N
4
Tải trọng hữu cơ theo BOD5 (kgO2/m3.ngđ)
Biofilter với VLL là
sỏi cuội, đá dăm 75 - 8585 - 95 0,096 - 0,0480,16 - 0,096 Biofilter dạng tháp, và
biofilter với
VLL là chất dẻo 75 - 85
0,288 - 0,192 0,192 - 0,096
Nguồn:Viện kỹ thuật nhiệt đới và bảo vệ môi trường, 2007
Hình 5.1.Sơ đồ công nghệ xử lý triệt để nước thải riêng biệt bằng bể lọc sinh học (biofilter) - xử lý BOD,NH4+và NO3
Xlý BOD L L L Xlý + 4 NH Xlý − 3 NO Nước thải vào Nước sau xử lý Cấp khí Xả bùn L: bể lắng Xlý BOD và + 4 NH Nước thải vào Biofilter 1 Xlý − 3 NO Biofilter 2 L L Nước sau xử lý methanol Xả bùn L: lắng Cấp khí
Hình 5.2. Sơ đồ công nghệ xử lý triệt để nước thải riêng biệt bằng bể lọc sinh học (biofilter)- xử lý BOD và +
4
NH cùng trong một bể biofilter,xử lý NO3 riêng
Quá trình xử lý đồng thời chất hữu cơ (BOD) và ammonia nitrogen (NH4+) trong bể sinh học được xác định bởi tải trọng BOD. Tải trọng BOD tính toán cho bể sinh học được trình bày trong (bảng5.1)
Quá trình khử ammonia nitrogen (NH4+) trong bể sinh học (strickling filter) với vật liệu lọc là sỏi cuội được biểu diễn bằng công thức toán học.
amm.Nout = 134.amm.Nin0,86.SS in0,15
Với: - amm.Nout : nồng độ ammonia nitrogen (NH4+) sau khi xử lý (mg/l) - amm.Nin, SSin, BODin: tải trọng nitơ amôn (g/m2.ngđ), tải trọng chất lơ lửng (g/m2.ngđ) và tải trọng hữu cơ (kg/m2/ngđ).
IV: tải trọng thuỷ lực (m3/ m2ngđ).
Để xử lý tiếp tục Nitrogen (N), quá trình khử nitrat (definication: NO3 =>NO2.=>N2) thường được thực hiện trong khối công trình riêng biệt với nguồn carbon ngoài (thông dụng là methanol CH3OH). Lượng methanol được tình theo công thức:
Cm = 2,47N0 + 1,53N1 + 0,87D0
Trong đó: Cm - nồng độ methanol cần thiết để cung cấp mg/l
N0 , N1 , D0 - nồng độ nitrat (mg/l), nồng độ nitrite (mg/l) và nồng độ o-xy ban đầu, mg/l.
Phát hiện công nghệ sinh học và hoá sinh trong những năm cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21 quá trình anamox - quá trình oxy hoá ammonia nitrogen (NH4+) với điều kiện yếm khí NH4+ + NO2 => 2H2O + N2 cho phép áp dụng chúng trong thực tế để loại bỏ Nitrogen (N) khỏi nước thải. Quá trình anamox hay nói một cách khác là ôxy hoá NH4+ thông qua nitrite NO2 (hình5.2.).
Trên (hình 5.2), rõ ràng rằng việc áp dụng anamox để loại bỏ hợp chất N ra khỏi nước thải có ưu thế lớn so với công nghệ truyền thống là tiết kiệm được năng lượng sục khí và không cần dùng nguồn carbon (C) bên ngoài.
Các hợp chất nitrogen (N) và phosphorus (P) trong nước thải là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng. Trên thế giới phương pháp phổ biến để loại bỏ P ra khỏi nước thải vẫn là phương pháp lý hoá kết hợp. Việc loại bỏ phosphorus (P) theo phương pháp sinh học bằng hệ bùn hoạt tính đơn lơ lửng (single sludge system) chạy qua các vùng yếm khí (anaerobic), thiếu khí (anoxic) và háo khí (aerobic) là phổ biến nhất, ví dụ: loại bỏ phosphorus (P) bằng A/O process, PhoTrip process, loại bỏ N và P đồng thời - A2/O, Brandenpho process, UTC,… đòi hỏi mức đầu tư cao và chi phí vận hành lớn (lưu lượng tuần hoàn tới 300% - 600%). Mặt khác, việc sao chép 100% công nghệ nước ngoài sẽ không có hiệu quả xử lý như mong muốn, do thành phần nước thải các thải ở các nhà máy chế biến thực phẩm khác nhau. Bên cạnh đó việc xử lý loại bỏ phosphorus (P), giảm nồng độ (P) dưới tiêu chuẩn cho phép bằng phương pháp sinh học sử dụng hệ vi sinh bám dính là không thể được. Tuy vậy, việc kết hợp phương pháp sinh học với quá trình xử lý hoá học có thể mang lại hiệu quả mong muốn.
a) b)
Hình 5.3. (a) Quá trình nitrat hoá (nitrification) và khử nitrat truyền thống (denitrification) O2 O2 O2 O2 O2 COD COD COD COD COD − 3 NO − 3 NO − 3 NO − 3 NO − 3 NO + 4 NH N2 NH4+ N2
(b) Quá trình anammox hay là oxi hoá nitơ amôn qua nitrit
Một nghiên cứu tại Đại học Xây dựng Mát-xcơ-va (MGSU), Liên bang Nga cho phép loại bỏ P ra khỏi nước có hàm lượng protein cao bằng hệ vi sinh bám dính dựa trên nguyên tắc ăn mòn sinh học (hình 5.3.).
Vật liệu bám dính có cốt sắt (Fe) được sử dụng trong bể aeroten. Các màng sinh học bám dính lên bề mặt kim loại thực hiện quá trình ăn mòn sinh học liên tục làm nồng độ sắt Fe trong aeroten tăng đột ngột, tạo điều kiện cho quá trình keo tụ hoá lý phosphate được diễn ra nhanh chóng. Nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng tăng, đồng thời chỉ số bùn giảm mạnh, khi đó hiệu quả loại bỏ phosphorus (P) đạt 100% cho nước thải sinh hoạt (bảng 5.1). Số lượng cốt sắt cần thiết được tính theo công thức: Với: AFe : bề mặt cốt sắt cần thiết (m2) AFe = ) ( . )). ( ) ( .( 319 , 0 3 4 3 4 3 4 + + + − PO q D Q PO C PO CEN EX
Q: lưu lượng nước thải giờ max (m3/h).
( ), ( 3 )
43 3
4+ C PO +
PO
CEN EX : nồng độ phosphate vào và ra khỏi công trình xử lý. D: đường kính sợi cốt thép
( 3 )
4+
PO
q : tải trọng phosphat trên diện tích sợi thép, g(PO3 )/m2.ngd
4+
Kết quả thực nghiệm nghiên cứu xử lý P trên mô hình thực nghiệm. .
Hình 5.4. Sơ đồ xử lý phosphrus (P) bằng phương pháp sinh học sử dụng vật liệu bám dính cốt sắt (Fe) không có bùn hoạt tính tuần hoàn
Bảng 5.2.Hiệu quả xử lý phot pho,nitơ.
Chỉ số thành phần nước Vào(trước xử lý) Ra (sau xử lý) 1 Nước thải vào Nước thải sau xử lý 1.Vật liệu bám dính cốt sắt aeroten Bể lắng Bùn hoạt tính thừa
thải Phosphate ( 3+ 4 PO ), mg/l 4 - 12 KXD** - 1 BOD5 , mg/l 100 - 250 3 – 10 + 4 NH , mg/l 15 - 25 8 - 12
Nguồn:Viện kỹ thuật nhiệt đới và bảo vệ môi trường, 2007
Thông thường trong công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản các công trình xử các hợp chất hữu cơ thường lắp đặt chung với công trình xư lý nitơ và phot pho. Do đó thường các công trình xử lý nitơ và phot pho khó tìm hiểu.