1.3. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn
1.3.4. Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chấ tN trong nước thải
Q trình khử hợp chất N có thể được sơ đồ hóa như sau:
Hình 3: Sơ đồ quá trình khử hợp chất N 1.3.4.1. Q trình oxy hóa Amoni
Q trinh oxy hóa NH4+ thành nitrat xảy ra theo 2 bậc: NH4+ + 1,5 O2 NO2- + 2H+ + H2O NO2- + 0,5 O2 NO3-
NH4+ + 2 O2 NO3- + 2H+ + H2O
Cùng với việc tiêu thụ năng lượng thì có khoảng 20 - 40% NH4+ được tiêu thụ trong quá trình tổng hợp tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể viết như sau: Khử nitrat Nitrat hóa Amơn hố ( NO2 N2 ) ( NO2- NO3-) NH4+ nước NH4+ Nước N-hữu cơ Khử nitrat Nitrat hóa Amơn hố ( NO2 N2 ) ( NO2- NO3-) NH4+ nước NH4+ Nước N-hữu cơ
4 CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N (tế bào VK) + 5 O2 Công thức tổng hợp mô tả sự oxy hóa và tổng hợp tế bào :
1,02NH4+ + 1,89O2 + 2,02 HCO3- 0,021C5H7NO2 + 1,06 H2O + 1,92 H2CO3 + NO3-
Oxy hóa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của q trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ thấp hơn. Tốc độ phát triển của
Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đó nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn ổn định.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của VSV tự dưỡng:
+ DO: DO cần thiết cho quá trình nitrat hố xảy ra ít nhất là 0,3 mg/l. Tốc độ
nitrat hố đối với Nitrosomonas khơng phụ thuộc vào DO nếu DO > 1 mg/l và đối với Nitrobacter khi DO > 2 mg/l (Schoberl và Angel, 1964).
+ Nhiệt độ: tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrat hoá suy giảm
khi giảm nhiệt độ. Nhiệt độ tối ưu cho q trình nitrat hóa trong khoảng 30 – 36 0C, nhưng chúng có thể phát triển ở 4 – 50 0C.
+ pH: giá trị pH thích hợp là từ 7,6 - 8,6; khi pH < 6,2 hoặc pH > 10 sẽ ức
chế hồn tồn q trình hoạt động của VSV.
+ Độc tố: các hợp chất có độc tố cao với VSV tự dưỡng là: hợp chất phenol,
hợp chất clo, Cl- và các kim loại nặng. Đối với VSV có tốc độ phát triển chậm thì ảnh hưởng của độc tố đến nó là ít hơn, như vậy trong hai quá trình thì loại
Nitrosomonas ít bị ảnh hưởng bởi độc tố hơn Nitrobacter. Một độc tố rất quan trọng
là NH3 và axit HNO2 ở dạng trung hòa – sản phẩm và nguyên liệu của quá trình,
Nitrobacter bị ảnh hưởng nhiều hơn (0,1 - 1,0 mg N-NH3/l) so với Nitrosomonas (5 - 20 mg N-NH3/l). Tuy nhiên pH của nước thải chăn nuôi thường ở mức trung tính nên nồng độ NH3 trong nước thải là thấp. Ngược lại HNO2 lại tồn tại và thể hiện độc tính ở pH thấp.
Bảng 4: Nồng độ NH4+ và NO2- gây ức chế nitrobacter pH NH4+ (mg/l) NO2-(mg/l) 6,0 210 - 2100 30 - 330 6,5 70 -7 00 88 - 1050 7,0 20 - 210 260 - 3320 7,5 7 - 70 - 8,0 2 - 20 -
Nguồn: Turk, O., vµ Mavinic, D.S. (1986), Preliminary Assessment of a Shortcut in
1.3.4.2. Quá trình khử Nitrat
Nitrat là sản phẩm cuối của q trình oxy hóa amoni, nitrat chưa được xem là bền vững cũng gây độc cho môi trường nên cần được khử thành khí nitơ.
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O
Để khử nitrat VSV cần có chất khử, chất khử có thể là các chất hữu cơ hoặc các chất vô cơ như (S, Fe2+). Phần lớn VSV nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng – chúng sử dụng C hữu cơ để tổng hợp tế bào, ngoài phần sử dụng cho khử nitrat. Song song với quá trình khử nitrat là quá trình tổng hợp tế bào, do đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình lớn hơn nhiều so với lượng chất hữu cơ cần thiết cho khử nitrat.
Quá trình khử nitrat giống như quá trình hơ hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy chúng sử dụng NO2- và NO3- khi môi trường thiếu oxy. Trong hệ khử nitrat bởi VSV, mức độ tiêu hao chất điện tử phụ thuộc vào sự có mặt của chất nhận điện tử (chất oxy hóa) trong hệ: oxy hòa tan, nitrit, nitrat, sunfat.. Mức độ cạnh tranh về phương diện sử dụng chất cho điện tử: O2 > NO3- NO2- > SO42-.
VSV cần N để tổng hợp protein và sử dụng NH3 hơn (sử dụng trực tiếp). Cả hợp chất thải vô cơ (H, S...) và hữu cơ đều có thể làm cơ chất cho quá trình khử nitrat. Kết quả của quá trình là chất cho điện tử bị oxy hóa và nitrat thì giảm đi.
Sự kết hợp nitrat hóa với khử nitrat có thể giải thích bởi 2 q trình trao đổi có thể diễn ra:
Vùng có DO thấp hoặc bằng 0 có mặt trong bể nhờ q trình khuấy trộn.
Bơng bùn hoạt tính có thể chứa cả 2 vùng thiếu và hiếu khí, DO và cơ chất hịa tan bên ngồi bơng bùn phân tán vào vùng hiếu khí phụ thuộc vào DO, nồng độ amoni và COD.
Hình 4: Cấu trúc 1 hạt bùn hoạt tính chứa vùng thiếu khí và hiếu khí
Các chất hữu cơ mà nhóm VSV khử nitrat sử dụng: nguồn nước thải, các hóa chất hữu cơ đưa vào, các chất hữu cơ hình thành từ quá trình phân hủy nội sinh.
Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ DO: Quá trình khử nitrat xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên nồng độ oxy
hòa tan DO ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả quá trình vì oxy trong nước thải ức chế các enzyme khử nitrat. Oxy ức chế các enzyme nitrit mạnh hơn các enzyme khử nitrat.
+ pH: Theo Nommik (1956), Wiljer và Delwiche (1954), Bremmer và Shaw (1958) cho thấy tốc độ khử nitrat không bị ảnh hưởng khi pH từ 7 - 8, khi pH từ 8 -
9,5 và từ 4 - 7 thì tốc độ khử nitrat hố giảm tuyến tính.
+ Nhiệt độ: tốc độ tăng lên gấp đôi khi tăng nhiệt độ lên 10 0C trong khoảng nhiệt độ 5 – 25 0C.
+ Chất hữu cơ: các chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy tạo điều kiện tốt thúc
đẩy tốc độ khử nitrat. Quá trình khử xảy ra trong điều kiện thiếu khí và cần nguồn C-hữu cơ (1 g N - NO3- cần khoảng 3g COD).
+ Độc tố và yếu tố kìm hãm quá trình khử Nitrat: loại Denitrifier ít bị ức
chế bởi các độc tố hơn nhưng vẫn là vấn đề cần quan tâm. Oxy ức chế enzym khử nitrit. Nồng độ oxy hòa tan sẽ ức chế quá trình khi đạt 13% nồng độ bão hòa.
+ Nồng độ Nitrit: bản thân nitrit cũng là chất độc. Nếu NO2- ≥14 mg/l ở pH = 7 thì q trình chuyển hóa chất hữu cơ bởi Pseodomonas sẽ chậm lại, ở nồng độ 350 mg/l q trình bị ức chế hồn tồn (kể cả q trình oxic dùng chất nhận e- là O2). Tương tự, các khí NOx cũng là chất độc.
Hệ xử lý N trong nước thải bằng phương pháp sinh học có thể riêng rẽ hoặc tổ hợp hai q trình: oxy hóa amoni và khử nitrat. Đối với nước thải chăn nuôi nên áp dụng kỹ thuật xử lý 2 giai đoạn riêng rẽ. Phương pháp xử lý này có ưu điểm: linh hoạt, dễ tối ưu hóa các quá trình, và giảm thiểu các độc tố với VSV tự dưỡng (do đó được oxy hóa ở giai đoạn 1).
Trong nước thải chăn nuôi, hàm lượng COD và nitơ đều cao nên sự hoạt động của VSV tự dưỡng sẽ bị cạnh tranh quyết liệt bởi VSV dị dưỡng, dẫn đến khả năng xử lý các hợp chất chứa nitơ trở lên khó khăn hơn. Do đó cần phải oxy hóa nước thải theo nhiều giai đoạn, để tạo điều kiện cho giai đoạn sau oxy hóa các hợp chất nitơ được dễ dàng.