5. Tính khoa học và thực tiễn
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học
1.3.2. Quá trình khử nitrat
Quá trình khử nitrat thành NO, N2O và N2 gọi là quá trình khử nitrat. Quá trình khử nitrat bằng phương pháp sinh học là một phần trong công nghệ khử nitơ bao gồm q trình nitrat hóa và khử nitrat. So với các cơng nghệ xử lý bằng phương pháp hóa học và hóa lý, cơng nghệ xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học thường rẻ tiền hơn và được ứng dụng rộng rãi hơn. Hai cơ chế chính khử nitơ trong q trình sinh học là q trình đồng hóa và q trình dị hóa. Q trình khử nitrat đồng hóa liên quan
22
đến việc khử nitrat thành ammonia được sử dụng để tổng hợp tế bào mới. Q trình đồng hóa xảy ra khi trong nước thải khơng có sẵn NH4+ và không phụ thuộc vào DO. Trái lại, q trình khử nitrat dị hóa hay khử nitrat bằng phương pháp sinh học liên quan đến chuỗi vận chuyển electron, trong đó nitrit và nitrat được sử dụng làm chất nhận electron để oxy hóa các chất cho electron hữu cơ và vô cơ [4].
1.3.2.1. Phương trình cân bằng tỷ lượng
Quá trình khử nitrat bằng phương pháp sinh học bao gồm quá trình oxy hóa các cơ chất hữu cơ trong nước thải sử dụng nitrit hoặc nitrat làm chất nhận electron thay vì oxy. Khi khơng có mặt DO hoặc trong điều kiện giới hạn về nồng độ DO, enzyme khử nitrat giúp chuyển hydro và electron đến nitrat như chất nhận electron tạm thời. Các phản ứng khử nitrat liên quan đến các bước chuyển từ NO3- thành NO2-, NO, N2O cuối cùng thành N2:
NO3- NO2- NO N2O N2
Trong quá trình khử nitơ bằng phương pháp sinh học, chất nhận electron là một trong ba nguồn sau đây: (1) bsCOD trong nước thải cần xử lý, (2) bsCOD tạo ra từ quá trình phân hủy nội bào và (3) một nguồn bên ngoài như methanol hoặc acetate.
Chất hữu cơ trong nước thải
C10H19O3N + 10 NO3- 5N2 + 10CO2 + 3H2O + NH3 + 10OH-
Methanol
6NO3- + 5CH3OH 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH-
Acetate
8NO3- + 5CH3COOH 10CO2 + 4N2 + 6H2O + 8OH-
Trong tất cả các phản ứng khử nitrat với vi sinh vật dị dưỡng, mỗi đương lượng NO3- bị khử đều tạo ra một đương lượng kiềm tương ứng hay 3,57 g kiềm (tính theo
23
CaCO3)/g N-NO3- bị khử. Trong khi đó, q trình nitrat hóa lại tiêu thụ độ kiềm. Để oxy hóa 1 g N-NH4+ cần cung cấp 7,14 g độ kiềm (tính theo CaCO3). Như vậy nhờ q trình khử nitrat, có thể giảm được một nữa lượng độ kiềm cần bổ sung cho q trình nitrat hóa.
1.3.2.2. Các yếu tố ảnh hướng đến quá trình khử nitrate
❖ Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình khử nitrate sinh học
Nồng độ chất nhận eclectron hiện diện gồm nitrate, nitrite, DO và sulfate. Sự hiện diện của DO phải loại trừ trước khi tiến hành khử nitrate.
- Bản chất tự nhiên của chất cho electron: hợp chất hữu cơ được vi sinh vật sử dụng làm nguồn electron cho trong quá trình đổi năng lượng cũng như nguồn carbon cho tổng hợp tế bào. Những hợp chất vô cơ như H2 và S2- chỉ cung cấp electron cho trao đổi năng lượng.
- Mức độ khử nitrate: sự thiếu chất hữu cơ làm cho quá trình chuyển đổi bị ngưng, dẫn đến nitrate bị loại bỏ khơng hồn tồn.
- Ảnh hưởng của tốc độ sinh trưởng riêng của vi khuẩn khử nitrate đến nhu cầu chất hữu cơ. Ảnh hưởng này đáng kể đối với các hệ thống sử dụng nguồn carbon bổ sung từ bên ngoài.
❖ Loại và nồng độ chất hữu cơ chứa cacbon
Chất hữu cơ hòa tan, phân hủy sinh học nhanh thúc đẩy tốc độ khử nitrate nhanh nhất. Mặc dù methanol được sử dụng phổ biến, nhưng Monteith và cộng sự, 1980 tìm thấy 22- 30 loại nước thải công nghiệp như chất thải bia và cồn rượu thúc đẩy tốc độ khử nitrate hóa nhanh hơn methane.
❖ DO
Quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên sự hiện diện DO ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quá trình vì sự hiện diện của oxy ức chế các enzyme khử nitrite, làm chậm tốc độ khử nitrite. Oxy ức chế các enzyme khử nitrite mạnh
24
hơn các enzyme khử nitrate, nhưng q trình vẫn có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí như trường hợp của mương oxy hóa khử nitơ.
Theo các nghiên cứu của Skerman và MacRae (1957); Terai và Mori (1975) cho biết loài Pseudomonas bị ức chế ở DO 0.2 mg/l. Nelson và Knowles (1978) cho
biết khử nitrate bị dừng khi DO là 0.13 mg/l. Wheatland và cộng sự (1959) cho thấy tốc độ khử nitrate ở DO = 0.2 mg/l chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrate ở DO là 0 mg/l. DO tăng lên 2 mg/l thì tốc độ khử nitrate chỉ bằng 10% ở DO là 0 mg/l.
❖ Độ kiềm và pH
Quá trình khử nitrate sinh ra độ kiềm, axit carbonic chuyển thành bicarbonate. Độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrate làm tăng pH, thay vì bị giảm trong phản ứng nitrate hóa. Trái ngược với vi khuẩn nitrate hóa, người ta ít quan tâm đến ảnh hưởng pH lên tốc độ khử nitrate [4].
Một số nghiên cứu xác định pH tối ưu cho quá trình nằm giữa 7 và 8 , tốc độ q trình khử nitrate khơng bị ảnh hưởng đáng kể. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Dawson và Murphy, 1972 cho biết tốc độ khử nitrate ở pH 6 và 8 bằng một nửa ở pH 7 cho cùng một mẻ nuôi cấy.
25
CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU