Chƣơng I Tổng quan
1.6. Xử lí amoni trong nƣớc ngầm
1.6.1. Các phương pháp hố-lý
(1) Thổi khí đẩy NH3 ra khỏi nước sau khi đã chuyển dịch cân bằng sau về bên trái:
NH3 + H2O <=> NH4OH
(2) Clo hoá đến điểm nhảy, Cl2 trong nước chuyển thành dạng HClO hoạt động và ơxi hóa amơni (nếu clo hoạt động đủ hoặc dư) theo phương trình:
Khi có mặt ơzơn trong nước nó sẽ ơxy hố Br thành HBrO, sau đó HBrO sẽ ơxy hố NH4+ tương tự như HClO
(4) Trao đổi ion: NH4+ + NaKat Na+ + NH4Kat
Cationit (Kat) thường dùng là zeolit, một loại khống có khả năng trao đổi cation rất tốt, gần đây ở châu Âu có dùng nhựa trao đổi ion.
1.6.2. Các phương pháp vi sinh
Công nghệ vi sinh là chủ đạo trong xử lí nước. Trong xử lí nước nói chung các kĩ thuật phản ứng có thể là cả hai nhóm: nhóm kĩ thuật vi sinh phân tán và nhóm
kĩ thuật vi sinh cố định trên vật liệu mang. Trong xử lí nước cấp, do đặc thù là nồng
độ dinh dưỡng cần cho vi sinh các chất ơ nhiễm có nồng độ rất thấp so với trong nước thải, nên kĩ thuật xử lí phải là các kĩ thuật cho phép lưu giữ tốt vi sinh hoạt động, do đó nhóm kĩ thuật được lựa chọn sẽ là nhóm kĩ thuật với lớp vi sinh cố định trên vật liệu mang. Các kĩ thuật này có nhiều phương án triển khai, cụ thể có thể là:
(1) Lọc sinh học kiểu nhỏ giọt
Phương pháp lọc nhỏ giọt thường được áp dụng cho xử lí nước thải, xây dựng bể sinh học với vật liệu lọc tiếp xúc không ngập nước. Nước thải đưa vào xử lí được phân thành các màng nhỏ chảy qua lớp vật liệu đệm sinh học, dưới tác dụng của các vi sinh vật phân hủy hiếu khí trên lớp màng vật liệu, các chất hữu cơ có trong nước thải được loại bỏ.
(2) Lọc sinh học với lớp vật liệu mang vi sinh ngập nước
Lọc sinh học ngập nước sử dụng vật liệu mang cố định hoặc chuyển động theo dịng nước. Khi sử dụng vật liệu mang thì tính chất vật liệu rất quan trọng, về nguyên tắc chúng phải trơ, bề mặt để vi sinh bám dính càng lớn càng tốt, điều này đặc biệt quan trọng trong trường hợp nitrat hóa vì các vi khuẩn nitrat hóa thuộc nhóm phát triển chậm tới rất chậm. Nguyên lý chung của các phương pháp lọc sinh học là nước nhiễm NH3 được đưa qua lớp vật liệu chứa các vi khuẩn ơxy hố nitơ (nitrobacter và nitrosomonas), tuỳ điều kiện sẽ xảy ra các phản ứng theo dãy cân
Nếu q trình ơxi hố xảy ra tới sản phẩm trung gian ta có NO2, nếu ơxi hóa hồn tồn ta có sản phẩm cuối cùng là NO3 ít độc hơn (thường các tiêu chuẩn về N-NO3-
cho phép tới 11,3 mg N/L). Trong điều kiện tối ưu (DO ~ 0, pH phù hợp) có thể xảy ra cả q trình khử (de) nitrat hoặc nitrit:
NO3 (hoặc NO2) + hữu cơ N2 + CO2 + H2O
Đây là cơ sở khoa học của các cơng nghệ vi sinh xử lí N hiện nay.
(3) Đóng vai trị chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật để tạo ra sinh
khối (tác dụng như phân N), đây là một phần cơ sở của cơng nghệ xử lí N, P bằng hệ lọc trồng cây, ao hồ.
1.6.3. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp xử lí sinh học
Q trình Nitrat hóa
Nitrat hóa gồm hai bước nối tiếp: bước một amơni được ơxy hố thành nitrit nhờ Nitrosomonas, bước tiếp theo nitrit được ơxy hố thành nitrat do Nitrobacter
thực hiện. Cả hai loại vi khuẩn này thuộc nhóm vi khuẩn tự dưỡng nên chúng tiêu thụ cácbon vô cơ (HCO3-
là chính), tiêu thụ mạnh O2, tuy nhiên, nếu ngừng cấp khí một thời gian dài chúng cũng khó bị tiêu diệt hồn tồn và nhanh chóng hồi phục [13].
Phương trình tỉ lượng
Q trình chuyển hóa về mặt hóa học được viết như sau: NH4+ + 1,5O2 NO2-
+ 2H+ + H2O (1) NO2- + 0,5O2 NO3- (2) Phương trình tổng: NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O (3)
Lượng H+ tạo ra phản ứng với HCO3 theo pt.: H+ + HCO3 H2CO3,như vậy: 2 g H+
tiêu thụ 2 x 61 = 122 g HCO3, vậy 1 g N-NH4+
chuyển hoá sẽ sinh ra 0,143 g H+ và tiêu thụ 8,71 gam độ kiềm HCO3 hay 7,14 g độ kiềm quy về CaCO3. Các phương trình (1-3) khơng tính đến q trình sinh tổng hợp. Nếu tính cả các q trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo Gujer và Jenkins [11] ta có hệ số tỷ lượng
1,02NH4++1,89O2+2,02HCO30,021C5H7O2N+1,0NO3+1,92H2CO3+1,06H2O (4)
Khi thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ các phương trình (34) là 4,57 g O2 và 7,14 g độ kiềm CaCO3/1 g NH4+-N để tính tốn.
Q trình khử nitrat (đenitrat hóa):
Khác với nitrat hố q trình đề-nitrat sử dụng ôxi từ nitrat nên gọi là
anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần cacbon hữu cơ để
tạo sinh khối mới. Quá trình đề-nitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau: NO3- NO2- NO (k) N2O(k) N2 (k) (8)
Q trình này địi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến nhất là metanol), H2, S ... Khi có mặt đồng thời NO3- và chất cho e- , chất cho e- cho điện tử (bị oxi hoá) đồng thời N - NO3- nhận e- và bị khử về N2.
Gayle (1989) [16] đã phân lập được ít nhất 14 lồi (genera) vi khuẩn tham gia vào quá trình đề-nitrat, phổ biến nhất là Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,
Paracocus, Spirilum và Thiobacilus. Phần lớn các vi khuẩn loại này là dị dưỡng
nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ ơxy hố để tổng hợp tế bào mới. Chỉ có Thiobacilus denitrifcans là sử dụng nguồn e- từ lưu huỳnh nguyên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới.
Các phương trình cơ bản
Các phương trình tỉ lượng của quá trình đenitrat hố phụ thuộc vào bản chất nguồn cacbon sử dụng:
6NO3 + 5CH3OH 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH (9) 12NO3 + 5C2H5OH 6N2 + 10CO2 + 9H2O + 12OH (10)
Do phản ứng:
OH + CO2 HCO3 (11)
nên pt. (9, 10) có thể viết lại như sau:
12NO3 + 5C2H5OH 6N2 + 10HCO3 + 9H2O + 2OH (12) 8NO3 + 5CH3COOH 4N2 + 10CO2 + 6 H2O + 8OH (13) 8NO3 + 5CH4 4N2 + 5CO2 + 6H2O + 8OH (14)
10NO3 + 5C10 H19O3N 5N2 + 10CO2 + 3H2O + NH3 + 10OH (15)
Ghi chú: C10H19O3N và C5H7O2N cơng thức trung bình của nước thải sinh hoạt và sinh khối tương ứng.
Cũng như trường hợp nitrat hố, nếu tính cả q trình sinh tổng hợp thì ta có:
NO3 +1,08CH3OH+0,24H2CO3 0,056C5H7NO2+ 0,47N2 + 1,68H2O + HCO3 (16)
NO2 +0,67CH3OH+ 0,53H2CO3 0,04C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O + HCO3 (17)
O2+0,93CH3OH+0,056NO3 0,056C5H7NO2+1,04N2 +0,59H2O + 0,056HCO3(18)
Nhu cầu cơ chất
Nhu cầu cơ chất phụ thuộc vào một số yếu tố:
Nồng độ chất nhận điện tử, ở đây là nitrit, nitrat, DO và sulphat. Phần lớn DO có trong nước phải tiêu thụ hết trước phản ứng đềnitrat. Sulphat cũng có thể bị khử nhưng chỉ sau khi DO, NO3, và NO2 tiêu thụ hết. Như vậy, trong quá trình đềnitrat hố nồng độ SO42 hầu như khơng đổi.