CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.4. Quá trình chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước thải
1.4.3. Q trình nitrat hóa sinh học
Khi có oxi, các chất hữu cơ bị oxi hố theo phản ứng:
C5H7O2N + 5O2 4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O (1.25) Trong dung dịch ion NH4+ tồn tại ở dạng cân bằng
NH4+ + OH- NH3 + H2O (1.26)
Nitrat hóa amoni là một q trình gồm hai giai đoạn. Đầu tiên, amoni bị oxi hóa thành thành nitrit nhờ vi khuẩn Nitrosomonas, là vi khuẩn hình cầu hoặc hình bầu dục, gram (-), không sinh bào tử. Sau đó nitrit bị oxi hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn
Nitrobacter, là trực khuẩn gram (-) khơng sinh bào tử. Q trình này được mơ tả theo
hai phương trình sau [7]:
2NH4+ + 3O2Nitrosomonas 2NO2-+ 4H++ 2H2O + Q (1.27)
2NO2-+ O2Nitrobacter 2NO3-+ Q (1.28)
Phương trình tổng:
NH4++ 2O2 NO3- + 2H++ H2O
(1.29)
Trong q trình nitrat hóa, oxi đóng vai trị là chất nhận điện tử và chỉ nhận điện tử mà Nitrosomonas và Nitrobacter có thể sử dụng. Do đó, mơi trường hiếu khí là điều kiện cần thiết cho q trình nitrat hóa.
Q trình nitrat hóa là q trình giải phóng năng lượng, Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lượng này để duy trì và phát triển sinh khối (các tế bào vi
khuẩn). Các tế bào vi khuẩn này được biểu diễn gần đúng bằng cơng thức hóa học C5H7O2N. Phản ứng tổng hợp sinh khối nhờ Nitrosomonas và Nitrobacter được thực
hiện như sau:
NH4+ + HCO3- + 4CO2 + H2O C5H7O2N + 5O2 (1.30) hoặc (1.22) Như vậy, các tế bào vi khuẩn được tạo nên hoàn toàn từ các hợp chất vơ cơ. Ngồi ra cần có thêm một lượng nhỏ các chất dinh dưỡng vi lượng như P, S, Fe,... cho q trình tổng hợp nhưng khơng làm thay đổi phản ứng (1.30). Năng lượng ban đầu cho phản ứng tổng hợp này khởi phát thu được từ phản ứng oxi hóa NH4+ và NO2- (phương trình (1.27) và (1.28)). Do đó các phản ứng oxi hóa NH4+ và NO2- thường xảy ra đồng thời.
Vì năng lượng giải phóng từ phản ứng oxi hóa 1 mol NH4+ hoặc NO2- ít hơn năng lượng cần thiết để tạo thành 1 mol các tế bào vi khuẩn, nên các phương trình (1.27), (1.28) và (1.30) phải được cân bằng lại để đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng tức là năng lượng cần sử dụng bằng năng lượng tạo thành. Vì vậy, q trình nitrat hóa sinh học có thể biểu diễn bằng phương trình tổng sau.
Phương trình này được sử dụng để đánh giá ba thơng số quan trọng trong q trình nitrat hóa: nhu cầu oxi, độ kiềm cần sử dụng và sự tạo thành sinh khối có khả năng nitrat hóa.