L ỜI CẢM ƠN
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.4.4.2. Quá trình nitrat hĩa
- Mơ tả quá trình
Quá trình Nitrat hĩa là quá trình oxy hĩa hợp chất chứa nitơ, đầu tiên là ammonia được
chuyển thành nitrit sau đĩ nitrit được oxy hĩa thành nitrat. Quá trình nitrat hĩa diễn ra theo 2
bước liên quan đến 2 chủng loại vi sinh vật tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter [39].
* Bước 1: Ammonia được chuyển thành nitrit được thực hiện bởi loài Nitrosomonas:
NH4+ + 1.5O2→ NO2 -
+ 2H+ + H2O (1)
* Bước 2: Nitrit được chuyển thành nitrat được thực hiện bởi loài Nitrobacter:
NO2- + 0.5O2 → NO3 -
(2)
Phương trình phản ứng (1) và (2) tạo năng lượng. Năng lượng tạo ra từ quá trình oxy hĩa
ammonia khoảng 66 – 84 kcal/mole ammonia và từ oxy hĩa Nitrit khoảng 17.5 kcal/mole
Nitrit. Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lượng này cho sự sinh trưởng của tế bào và duy trì sự sống. Tổng hợp hai phản ứng (1) và (2) được viết lại như sau:
NH4+ + 2O2 → NO3 -
+ 2H+ + H2O (3)
Từ phương trình (3), lượng O2 tiêu thụ là 4.57 gO2/gN-NH4+ bị oxy hĩa, trong đĩ 3.43g sử
dụng cho tạo Nitrit và 1.14 g sử dụng cho tạo Nitrat, 2 đương lượng ion H+ tạo ra khi oxy hĩa
1 mole ammonia, ion H+ trở lại phản ứng với 2 đương lượng ion bicarbonate trong nước thải.
Kết quả là 7.14 g kiềm CaCO3 bị tiêu thụ/gN-NH4+ bị oxy hĩa.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nitrat hĩa
+ Tải trọng hữu cơ: Sự cạnh tranh khơng gian sống và oxy của màng sinh học dị dưỡng sẽ
làm giảm quá trình Nitrat hĩa của các màng sinh học. Quá trình Nitrat hĩa xảy ra tối ưu khi tỉ
+ DO: Khi tải trọng hữu cơ được giảm, quá tình Nitrat hĩa tăng, cho đến khi nồng độ oxy hịa tan trở thành nhân tố kiểm sốt quá trình.
+ Nitơ ammonia: Chất nền cĩ sẵn (ammonia) chỉ trở thành nhân tố hạn chế khi nồng độ N- ammonia trong bể phản ứng thấp (< 2 mgN/l) và đĩ là một mối quan tâm đáng kể khi cần thiết hồn tất quá trình nitrat hĩa. Trong các ứng dụng khi cĩ đủ độ kiềm và amoniac, tốc độ
nitrat hĩa sẽ tăng lên khi tải trọng hữu cơ được giảm xuống, cho đến khi nồng độ oxy là chất
ức chế. Trong màng sinh học MBBR được thiết lập tốt cho quá trình nitrat hĩa, sự cĩ mặt của oxy giới hạn tốc độ nitrat hĩa trên các giá thể, khi tỉ lệ O2/N-NH4+ < 2 [40, 41]
+ Nhiệt độ nước thải: Như tất cả các quá trình sinh học, nhiệt độ tác động vào tốc độ nitrat
hĩa, nhưng điều này cĩ thể được bù đắp bằng nồng độ DO cao trong bể.
+ pH/độ kiềm: tại độ kiềm thấp, tốc độ nitrat hĩa trong màng sinh học sẽ bắt đầu thể hiện sự
ức chế. Tốc độ nitrat hĩa ở pH = 5.8 – 6.0 chỉ bằng 10 – 20% tốc độở pH = 7.0. Tốc độ nitrat
hĩa tối ưu ở pH = 7.5 – 8.0. Do đĩ, khi nước thải đầu vào cĩ pH thấp cần phải thêm vào
lượng kiềm cần thiết để duy trì pH ở giá trị thích hợp.
+ Chất độc: Nồng độ các kim loại ảnh hưởng đến quá trình nitrat hĩa: Niken = 0.25 mg/ll, Crơm = 0.25 mg/l Cu = 0.1 mg/l. Ngồi ra các chất độc gây ức chế quá trình nitrat hĩa được tổng hợp bao gồm các hợp chất như: Chất hữu cơ, amine, protein, tannin, hợp chất phenol, alcohol, cyanate, bezene… khi nồng độ các chất này quá giới hạn thì được xem là chất độc
đối với vi khuẩn nitrat hĩa.
1.4.4.3. Quá trình khử nitrat
- Mơ tả quá trình
Quá trình khử nitrat là bước thứ hai theo sau quá trình nitrat hố, là quá trình khử N-NO3
thành khí Nitơ, N2O hoặc NO được thực hiện trong mơi trường thiếu khí (anoxic) và địi hỏi
một chất cho electron là chất hữu cơ hoặc vơ cơ.
Hai con đường khử nitrat cĩ thể xảy ra trong hệ thống sinh học đĩ là:
Đồng hố: Con đường đồng hố liên quan đến khử nitrat thành ammonia sử dụng cho
tổng hợp tế bào, xảy ra khi ammonia khơng cĩ sẵn, độc lập với sự ức chế của oxy.
Dị hố (hay khử nitrat): Khử nitrat bằng con đường dị hố liên quan đến sự khử nitrat
NO3-→ NO2 -
→ NO → N2O → N2
Một số lồi vi khuẩn khử nitrat được biết như: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracoccus, Spirillum, Thiobacillus, Achromobacterium, Denitrobacillus, Micrococus, Xanthomonas [40]. Quá trình khử nitrat sử dụng nguồn cacbon hữu cơ dưới dạng như: Chất
hữu cơ dễ phân hủy sinh học, sản phẩm của quá trình thủy phân chất hữu cơ trong nước, sản
phẩm của quá trình phân hủy nội bào. Mỗi gam N-NO3 bị khử sẽ tiêu thụ 4g BOD, khi hàm
lượng BOD khơng đủ cho quá trình khử Nitrat thì cần thêm vào nguồn cacbon bên ngồi như:
Axit axetic, ethanol, đường, glycerol hoặc những chất cần thiết.
Độ kiềm sinh ra được tính tốn từ cân bằng phản ứng sau đây:
NO3- + 1.08 CH3OH +0.24 H2CO3→ 0.065 C5H7O2N + 0.47 N2 + 1.44 H2O + OH- + 0.76 CO2
Mỗi gam N-NO3 bị khử tạo thành 3.57 g độ kiềm CaCO3, và mỗi gam COD được tiêu thụ sẽ sinh ra 0.4g VSS (sinh khối của sinh vật dị dưỡng).
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat
Loại và nồng độ chất hữu cơ chứa cacbon
Chất hữu cơ, phân hủy sinh học nhanh thúc đẩy tốc độ khử nitrat nhanh nhất, mặc dù
methanol được sử dụng phổ biến.
DO
Quá trình khử nitrat xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên sự hiện diện của oxy hịa tan ảnh
hưởng đáng kể đến hiệu quả quá trình vì DO ức chế các enzyme khử nitrat, làm chậm tốc độ
khử Nitrit.
Độ kiềm và pH
Quá trình khử nitrat sinh ra độ kiềm, axit cacbonic chuyển thành bicacbonat. Độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrat làm tăng pH, thay vì bị giảm trong phản ứng Nitrat hĩa. Trái
ngược với vi khuẩn Nitrat hĩa, người ta ít quan tâm đến ảnh hưởng của pH lên tốc độ khử
Nitrat. Một số nghiên cứu xác định pH tối ưu cho quá trình này nằm giữa 7 và 8. Cụ thể cịn tùy thuộc vào lồi vi khuẩn hiện diện và đặc tính nước thải.
- Tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng đến sự khử nitơ
Rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh về sự phụ thuộc giữa quá trình khử Nitơ trong nước
với nồng độ carbon hữu cơ. Do đĩ tỉ số giữa COD : N hoặc BOD : N được xem xét để hiệu
quả khử Nitơ đạt tối ưu. Tỉ số BOD : N > 4 thích hợp cho quá trình khử nitơ bằng phương
pháp sinh học vì quá trình nitrat hĩa và khử itrat xảy ra đồng thời. Khi tỉ lệ này nhỏ hơn 3 thì quá trình nitrat hĩa và khử nitrat sẽ tách biệt với nhau.
Hình 1.2. Ảnh hưởng tỉ số BOD : N và thời gian lưu bùn đối với tỉ lệ loại bỏ nitơ [49]
Trong nước thải sinh hoạt tỉ lệ COD : N đã thích hợp và loại bỏ 65 – 85% nitơ trong các
quá trình xử lý như trong bể lọc sinh học hiếu khí [47]hoặc trong bể phản ứng màng sinh học trên giá thể lơ lửng [9]. Với những quá trình nitrat hĩa và khử nitrat đồng thời thì sự loại bỏ
nitơ lên tới 90% với tỉ số BOD : N > 4. Hình 1.2 cho thấy ảnh hưởng của tỉ số BOD : N và
thời gian lưu bùn đến tỉ lệ nitơ được loại bỏ [49]. Hiệu quả khử nitơ sẽ cao hơn 10% khi tỉ lệ
BOD : N tăng từ 4 đến 6, và đối với cùng tỉ lệ BOD : N thì thời gian lưu bùn càng ngắn thì
hiệu quả khử nitơ càng cao.
Quá trình thiếu khí và sự tuần hoàn dịng thải
Trên thực tế, với quá trình xử lý thiếu khí một bậc cĩ thể khử nitơ tốt, thơng thường quá
trình khử Nitrat hĩa tăng khi tỉ lệ tuần hồn tăng nhưng khơng quá 500%. Quá trình khử nitrat
với tỉ lệ BOD : TKN < 4 hoặc COD : TKN < 10 sẽ khơng hiệu quả khi tỉ lệ tuần hoàn cao vì
nước thải khơng đủ cacbon để đạt hiệu quả khử nitrat cao hơn [38]. Với thiếu khí hai bậc thì
tổng nitơ đầu ra sẽ thấp vì nitrat ở quá trình hiếu khí đã bị khử hoàn tồn ở bể thiếu khí. Vì
nitrat đã chuyển hĩa thành khí nitơ ở quá trình thiếu khí nên ở bể lắng 2, sự khử nitrat sẽ được
K h ả nă ng loạ i bỏ n i tơ ( % )
hạn chế và khơng sinh ra khí nitơ cĩ thể làm bùn lắng nổi lên. Cung cấp nguồn cacbon cho bể
thiếu khí thứ hai sẽ tăng quá trình khử nitrat. Quá trình thiếu khí hai bậc thì nồng độ nitơ tổng
đầu ra chỉ cịn khoảng 2.5 – 3.5 mg/l.
Nhiệt độ
Nhiệt độ đều ảnh hưởng đến hai quá trình nitrat hĩa và khử nitrat. Với nhiệt độ thấp, quá
trình nitrat hĩa và khử nitrat đều giảm, dẫn đến hiệu suất kém nhất là trong những tháng lạnh. Quá trình nitrat hĩa thích hợp ở nhiệt độ 4 – 350C, và hiệu suất nitrat hĩa tăng gấp đơi khi
nhiệt độ tăng thêm khoảng 8 – 100C. Đối với quá trình khử nitrat thì khoảng nhiệt độ thích
hợp là 10 – 250C. Vì thế đối với thời tiết lạnh, người ta sẽ xem xét để bổ sung nguồn cacbon thích hợp cho quá trình khử nitrat. Ngược lại, khơng cần bổ sung cacbon trong điều kiện thời tiết ấm áp [36].
Độ kiềm
Độ kiềm được tiêu thụ trong quá trình nitrat hĩa vì ion H+ được sinh ra khi nitơ ammonia
chuyển hĩa thành nitrat. Quá trình khử nitrat sẽ khơi phục lại một phần độ kiềm khi nitrat chuyển thành khí nitơ. Mỗi gam nitơ ammonia được chuyển hĩa tiêu thụ 7.17g CaCO3 độ
kiềm, và mỗi gam nitrat bị khử sẽ tạo thành 3.57g CaCO3 độ kiềm. Do đĩ chuyển hĩa một
gam Nitơ ammonia thành một gam khí Nitơ sẽ tiêu thụ 3.6g CaCO3 độ kiềm. Quá trình nitrat
hĩa thích hợp khi pH trong khoảng 6.5 – 8.0, vì vậy độ kiềm cần thêm vào để đạt giá trị pH thích hợp (ví dụ: dùng sodium hydroxide).
Thời gian lưu bùn (SRT)
Thời gian lưu bùn phải đủ dài để quá trình nitrat hĩa xảy ra hồn tồn vì vi sinh vật tham
gia quá trình nitrat hĩa phát triển chậm hơn vi khuẩn hiếu khí. Do đĩ, muốn tăng gấp đơi lượng vi sinh vật của quá trình nitrat hĩa thì cần thời gian lâu hơn 10 – 20 lần so với những vi khuẩn hiếu khí khác [55]. Khi tăng thời gian lưu bùn sẽ làm giảm năng lượng khuấy trộn nếu giảm thể tích bể và thể tích chất lỏng. Thêm vào đĩ, quá trình khử nitrat sẽ hiệu quả khi ứng
dụng đồng thời nitrat hĩa và khử nitrat [43].Năng lượng cho quá trình hiếu khí giảm hơn một
nửa khi thời gian lưu bùn tăng từ 8 ngày lên 24 ngày. Đồng thời, hiệu suất nitrat hĩa – khử
nitrat hĩa ở SRT = 8 ngày chỉ là 30% nhưng với SRT = 24 ngày thì hiệu suất tăng lên 70%.
nước thải, nồng độ oxy hịa tan trong bể hiếu khí, pH, độ kiềm, hĩa chất ức chế, chế độ thủy lực và tải trọng hữu cơ.
Thời gian lưu nước
Thời gian lưu nước ảnh hưởng trực tiếp lên cả hai quá trình nitrat hĩa và khử nitrat.
Những khu vực hiếu khí cĩ thể tích rất lớn nếu như chỉ cĩ đơn thuần nitrat hĩa/khử nitrat vì BOD cần phải loại bỏ trước khi quá trinh nitrat hĩa xảy ra. Kích thước của bể thiếu khí cũng
phải thích hợp để quá trình khử nitrat hồn tồn mà khơng cần loại bỏ hồn tồn cacbon trước (vì nguồn cacbon cần cho quá trình loại bỏ phospho).
Nồng độ oxy hịa tan
Nồng độ oxy hịa tan ảnh hưởng tới quá trình nitrat hĩa. Đối với hệ thống bùn hoạt tính
với thời gian lưu nước từ 6 – 8h, hiệu suất của quá trình nitrat hĩa đạt lớn nhất khi DO ≥ 2
mg/l [46]. Trong những hệ thống xử lý màng sinh học như MBBR hoặc hệ thống IFAS, nồng
độ DO cản trở quá trình màng bám dính lên giá thể và làm giảm hiệu quả xử lý.
Nnồng độ DO ≥ 0,2 mg/l sẽ làm giảm quá trình khử nitrat trong vùng thiếu khí. Điều này
là do năng lượng phá vỡ NO3- để lấy oxy lớn hơn việc sử dụng trực tiếp phân tử oxy cĩ sẵn
trong nước vì các vi sinh vật ưu tiên sử dụng DO cĩ sẵn thay vì NO3-. Do đĩ, nồng độ DO
khơng vượt quá 1 mg/l trong vùng hiếu khí đồng thời giảm thời gian lưu nước cho vùng thiếu
khí. Nồng độ DO thích hợp là từ 0.1 – 0.5 mg/l [38, 46].