CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
1.2.4 Khử nitơ trong nước thải bằng biện pháp sinh học
1.2.4.1 Chu trình nitơ trong ao hồ
Chu trình nitơ là một trong những mơ hình tuần hồn vơ hình và quan trọng nhất đối với môi trường thủy sinh. Tôm cá và các động vật thủy sinh trong quá trình sinh sống chúng bài tiết ra NH3, nếu ở nồng độ cao NH3 sẽ gây độc. Chu trình nitơ, trong đó có q trình amoni hóa, q trình nitrat hóa và q trình đề nitrat hóa diễn ra nhờ vào hoạt động của các vi khuẩn có ích giúp chuyển hóa các chất độc thành những chất có ích cho đời sống của thực vật thủy sinh và giúp các động vật thủy sinh không bị độc từ chất thải do chúng bài tiết ra.
Q trình chuyển hóa của các hợp chất chứa nitơ trong nước thải xảy ra theo nhiều kiểu khác nhau. Hai cơ chế chủ yếu để loại nitơ là nitrat hóa (trong điều kiện hiếu khí) và khử nitrat (trong điều kiện thiếu khí)
1.2.4.2. Cơ chế q trình xử lý nitơ trong điều kiện hiếu khí
* Q trình amoni hóa
Amoni hóa là q trình phân hủy và chuyển hoá các hợp chất hữu cơ phức tạp thành NH3 dưới tác dụng của vi sinh vật. Dưới tác dụng của enzyme phân hủy protein (enzyme proteolytic, thường gọi là enzym proteaza) làm chất xúc tác sẽ phân hủy protein thành các chất đơn giản hơn, các chất này tiếp tục được phân giải thành acid amin nhờ tác dụng của enzyme peptidaza ngoại bào. Một phần nhỏ acid amin sẽ được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp thành protein của chúng (protein xây dựng cấu trúc cơ thể của vi sinh vật), phần còn lại được tiếp tục phân giải tạo ra NH3, CO2, SO42- (nếu các acid amin có chứa S) và các sản phẩm trung gian khác. Trong nước, NH3 sẽ được
chuyển hóa thành NH4+ theo phản ứng sau: NH3 + H2O -> NH4+ + OH- [20],
[23]
* Q trình nitrat hóa
Dưới tác dụng của một số vi sinh thì NH4+ được hình thành từ q trình amoni hóa sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành NO2- (nitrit) rồi thành NO3-
(nitrat). Trước hết NH4+ được chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn
Nitrosomonas, sau đó vi khuẩn Nitrobacter sử dụng men nitrite oxidase để
chuyển hóa NO2- thành NO3- . NO3- có thể được các thực vật thủy sinh sử dụng như là một nguồn dinh dưỡng hoặc có thể bị chuyển hóa tiếp thành khí nitơ (N2) qua hoạt động của các vi khuẩn yếm khí như Pseudomonas. Các q trình chuyển hóa NH4+ đều cần sự tham gia của oxy và độ kiềm của nước. Q trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn nối tiếp nhau. Hai giống vi khuẩn này có mối quan hệ mật thiết với nhau. Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên: môi trường đất, nước. Mơi trường thích hợp cho cả 2 loại này phải có pH > 6 (tối ưu ở pH = 7 - 8).
Các chất hữu cơ chứa N NH4+ NO2 - NO3-
NH4+ là hợp chất dinh dưỡng rất thích hợp với vi sinh vật, rong tảo và thực vật thủy sinh. Biến đổi từ NH4+ đến NO3- là biến đổi hiếu khí, là lồi vi khuẩn hiếu khí bắt buộc. Khi chúng chuyển hóa NH4+ thành NO2- sẽ sinh ra năng lượng, năng lượng này sẽ được các vi khuẩn nitrit hóa sử dụng cho hoạt động sống của mình. Sự có mặt của các nhóm vi khuẩn nitrite hóa giúp loại bỏ được NH4+. Sau q trình nitrit hóa thì các vi khuẩn thuộc nhóm nitrat hóa (Nitrobacter) sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hoá NO2- thành NO3- (là sản phẩm cuối của q trình nitrat hóa). Vi khuẩn nitrosomonas và nitrobacter cần oxi để oxi hóa NH4+ và NO2- theo các phản ứng [2] , [10], [20]:
Quá trình này được gọi là q trình nitrat hóa. [20]
Nitrosomonas và nitrobacter là những vi sinh tự dưỡng, chúng sử dụng nguồn cacbon vô cơ (chủ yếu là HCO3-, CO2) cùng các chất dinh dưỡng (N, P, vi lượng…) để xây dựng tế bào. Phản ứng tạo sinh khối cũng xảy ra đồng thời với q trình nitrat hóa theo phương trình (1.2):
NH4+ + HCO3- + 4CO2 + H2O C5H7NO2 + 5O2 (1.2) Kết hợp (1.1) và (1.2), phản ứng tổng thể của q trình oxi hóa và tạo sinh khối:
22NH4+ + 37O2 + HCO3- + 4CO2 C5H7NO2 + 21NO3- + 20H2O + 42H+
1.2.4.3. Cơ chế quá trình xử lý nitơ trong điều kiện thiếu khí (Q trình khử nitrat sinh học)
Để loại bỏ nitrat trong nước, sau cơng đoạn nitrat hóa amoni là khâu khử nitrat sinh hóa nhờ các vi sinh vật trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Nitrit và nitrat sẽ chuyển thành dạng khí nitơ (N2). Q trình này địi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử. Chúng có thể là chất hữu cơ, sunfua hydro H2S... Nếu trong nước khơng có ơxy nhưng có mặt các hợp chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được. Trong mơi trường anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng các ion nitrat NO3- như nguồn ơxy để ơxy hóa chất hữu cơ (chất nhường điện tử), cịn NO3- (chất nhận điện tử) sẽ bị khử thành khí nitơ.
Denitrat hóa là q trình khử NO3- hoặc NO2- thành sản phẩm cuối
Nitrosomonas
NH4+ + 3/2O2 NO2- + 2H+ + H2O Nitrobacter
NO2- + 1/2O2 NO3-
NO3- NO2- NO N2O N2
Ba chất cuối ở dạng khí có thể loại khỏi nước đi vào khí quyển.
Q trình khử nitrat là q trình cần ít oxi (thiếu khí) và được tiến hành theo nhiều bước. Có nhiều loại vi khuẩn tham gia vào quá trình này, phần lớn chúng thuộc loại dị dưỡng, chúng sử dụng nguồn cacbon hữu cơ cùng với nitrit, nitrat để tạo năng lượng và tăng sinh khối [2], [11], [23], [25], [27], [31]. Trong số này có Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococus, Spirillum, Lactobacillus… Sản phẩm khử tạo thành là NO, N2O, N2.
Phản ứng tổng quát như sau [14]:
Khử nitrat
2NO3- + 12H+ + 10e N2 + 6H2O VSV
Nitrat, nitrit là những tác nhân oxi hóa, do đó để khử chúng thành N2 cần phải có các tác nhân khử. Chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc vơ cơ như H2, S2-, Fe2+.