12 Tổng quan về các phương pháp xửlý nitơ trong nước thải
123 Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học: quá trình nitrat hố/khử nitrat và q trình Anammox
1 Q trình nitrat hóa/khử nitrat truyền thống
Q trình nitrat hố/khử nitrat đóng vai trị quan trọng trong hệ sinh thái trên trái đất, đặc biệt là với chu trình của nitơ Để loại bỏ nitơ ra khỏi nước thải, cần thực hiện q trình chuyển hố các hợp chất của nitơ thành nitơ phân tử (N2) thơng qua hai q trình nitrat hố và khử nitrat hố
Q trình nitrat hóa
Q trình nitrat hóa bao gồm hai giai đoạn nitrit hóa và nitrat hóa Hai giai đoạn này liên quan đến hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng là vi khuẩn oxi hóa amoni (AOB) và vi khuẩn oxi hóa nitrit (NOB) Trong giai đoạn nitrit hóa, Nitrosomonas là chủng vi khuẩn AOB điển hình nhất, ngồi ra cịn có một số chủng khác nữa như
Nitrosococcus và Nitrosopira [130] Đối với giai đoạn nitrat hoá, vi khuẩn nitrat hoá
(NOB) bao gồm Nitrobacter, Nitrosopina, Nitrococcus và Nitrospira Giai đoạn nitrit hoá:
Giai đoạn nitrat hoá: NO2- + 0,5 O2 → NO3- Phản ứng tổng hợp khi đó là: NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2H+ + H2O (1- 12) (1- 13)
Kết hợp với việc quan sát sinh khối thu được, phương trình phản ứng tổng hợp của tồn bộ q trình oxi hóa sẽ là [45]:
NH4+ + 1 86O2 + 1 98 HCO3- (1- 14)
0 02C5H7O2N + 0 98 NO3- + 1 04 H2O + 1 88H2CO3
Quá trình khử Nitrat
Khử nitrat là quá trình khử NO3- thành sản phẩm khí như N2, NO, N2O Quá trình khử nitrat thành nitơ được tiến hành nhờ các vi sinh vật dị dưỡng, phổ biến nhất là Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter [113] Trong mơi trường thiếu khí, các vi khuẩn này sử dụng NO3- hay NO2- là chất nhận điện tử cuối cùng và sử dụng các hợp chất hữu cơ để tạo năng lượng Các chất hữu cơ bao gồm metanol, axetat, glucose, etanol, và một số hợp chất khác
Phương trình phản ứng tổng hợp sử dụng metanol là nguồn cacbon được viết lại như sau [45]:
1 08CH3OH + NO3- + H+ (1- 15)
0 76CO2 +0 47N2 + 2 44H2O + 0 065C5H7O2N
Phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học truyền thống tiêu thụ một lượng lớn oxi (4,57 gO2/gN-NH4+) trong quá trình nitrat hố đồng thời u cầu phải có cacbon hữu cơ cho q trình khử nitrat hố (2,47 gCH3OH/gN-NO3-)
2 Q trình Anammox
Q trình ơxi hóa ammonium kỵ khí – Anammox (viết tắt của Anaerobic
Ammonium Oxidation) được phát hiện đã khắc phục được những hạn chế của quá
trình sinh học thông thường để xử lý nitơ
Năm 1977, Broda [28] đã dự báo sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng có khả năng oxi hóa amoni bằng nitrit và nitrat dựa trên cơ sở tính tốn nhiệt động học
NH4+ + NO2- → N2 + NO3- + 2H2O 5NH4+ + 3NO3- → 4N2 + 2H2O + 2H+ 5NH4+ + 1,5O2 → NO2- + 2H+ + 2H2O ∆G0= -357kJ/mol ∆G0= -297kJ/mol ∆G0= -275kJ/mol (1- 16) (1- 17) (1- 18) Q trình nitrit hố +Cacbon vơ cơ +O2 Q trình nitrit hố +Cacbon vơ cơ+O2 Q trình nitrat hố Quá trình Anammox Quá trình nitrat hố Q trình khử nitrat
+Cacbon hữu cơ
+điều kiện kỵ khí Q trình khử nitrat
Hình 1 2 Chu trình chuyển hóa nitơ với q trình nitrat hố/khử nitrat truyền thống (trái) và quá trình Anammox (phải) [46]
Tuy nhiên đến năm 1995, trong nghiên cứu thí điểm q trình khử nitrat trong hệ thống xử lý nước thải tại Gist-brocades (Delft, Hà Lan) nhóm Mulder và cộng sự [80] đã phát hiện ra sự biến mất của amoni đồng thời với sự sụt giảm hàm lượng nitrat và tạo ra sản phẩm cuối cùng là khí nitơ Q trình dựa trên sự chuyển hóa năng lượng từ việc ơxy hóa kỵ khí amoni sử dụng nitrit làm chất nhận electron dưới điều kiện tự dưỡng được đặt tên là quá trình “Anaerobic Ammonium Oxidation” hay
“Anammox” Từ đó q trình Anammox là một mắt xích quan trọng được bổ sung vào chu trình tuần hồn nitơ trong tự nhiên (Hình 1 2) [46] và phản ứng hóa học của q trình anammox được mơ tả như sau:
NH4+ + 1 32 NO2- + 0 066 HCO3- + 0 13H+ →
1 02 N2 + 0 26 NO3- + 0 066 CH2O0 5N0 15 + 2 03 H2O
Quá trình Anammox khơng cần cung cấp oxi, khơng cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ và lượng bùn sinh ra khơng đáng kể Vì vậy cơng nghệ ứng dụng quá trình Anammox là sự lựa chọn có hiệu quả và kinh tế trong việc loại bỏ nitơ trong nước thải
1 3 Tổng quan một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt1 3 1 Các công nghệ ứng dụng q trình nitrat hố/khử nitrat