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 dịng thải vào, bsCOD sản sinh từ phân huỷ nội bào, bổ sung từ bên ngồi (methanol, acetate…). Các phương trình biểu thị (trong đĩ chất hữu cơ cĩ 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 một lượng kiềm tương đương và bằng 3,57 g CaCO3/g Nitrate giảm đi. Trở lại quá
trình Nitrate hố ta thấy cứ 7,14 g CaCO3 dùng oxy hố 1 g Ammonia, vì vậy khoảng 1 nữa lượng Nitrate bị phân huỷ cĩ thể được hồi phục lại
Lượng Oxygen sử dụng Nitrate hay Nitrite như chất nhận điện cĩ 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 cĩ để giảm 1 g Nitrate, tuy nhiên cịn 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 đĩng vai trị là cơ chất. Các cơ chất hồ tan phân huỷ sinh học nhanh thì mật độ càng cao, ngồi ra nĩ cịn chịu ảnh hưởng lớn bởi: nồng độ DO, pH, nhiệt độ…
Trong khử Nitrate sinh học, phương trình mơ tả sinh trưởng vi sinh và sử dụng cơ chất thì giống nhau. Mật độ sử dụng cơ chất hồ tàn cịn chịu ảnh hưởng bởi nồng độ cơ chất hồ tan với nồng độ Nitrate.
Cĩ 2 phương pháp thường sử dụng cho sự kiểm sốt mật độ khử Nitrate bởi mật độ sử dụng cơ chất: Quá trình thiếu khí-hiếu khí (cơ chất hữu cơ đĩng vai trị là chất cho điện tử từ dịng 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, dịng thải đĩng vai trị 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, hơ hấp Nitrate và Oxygen. Nồng độ sinh khối hỗn dịch chất lỏng cĩ thể tính dựa vào lượng BOD loại bỏ, nhưng chỉ cĩ một phần sinh khối sử dụng cả Oxygen và Nitrogen làm chất nhận điện tử, phần cịn lại chỉ sử dụng Oxygen. Ứng dụng để mơ tả động học cho quá trình khử Nitrate, mật độ sử dụng cơ chất được mơ 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 cĩ thể xem như bằng 1 (khơng xét đến)