chơng II Cơ sở quá trình khử Nitơ bằng phơng pháp sinh học
II.2. Quá trình phản nitrat hoá
Phản nitrat là quá trình khử NO3+ thành khí N2 theo 4 giai đoạn nh sau : NO3- → NO2- → NO (k) → N2O (k) → N2(k)
Trong đó NO2- , NO , N2O là sản phẩm trung gian và mỗi giai đoạn của quá trình đợc xúc tác bởi 1 hệ enzym khác nhau . Quá trình này còn đợc gọi là quá trình dị hoá .
II.2.1 Tác nhân sinh học :
Khác với quá trình nitrat hoá , số lợng vi khuẩn có thể thực hiện quá
trình phản nitrat hoá tơng đối phong phú . Có ít nhất 14 chủng vi khuẩn đợc
biết là có khả năng phản nitrat hoá. Ví dụ nh chủng: Bacillus , Pseudomonas , Methanomonas , Paracocus , Spirillum , Thiobacillus ...
Hầu hết vi khuẩn phản nitrat hoá là vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện, chúng có thể sử dụng O2 hoặc NO3 làm chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình hô
hấp, trờng hợp vi khuẩn sử dụng ôxy làm chất nhận điện tử trong quá trình hô
hấp gọi là hô hấp hiếu khí , còn trờng hợp vi khuẩn sử dụng NO3- hoặc NO2-
gọi là hô hấp thiếu khí . Cơ chế của 2 quá trình là tơng tự nhau, sự khác nhau duy nhất giữa hô hấp hiếu khí và hô hấp thiếu khí là enzym xúc tác cho sự vận chuyển điện tử. O2 phải đợc loại trừ để tạo điều kiện cho quá trình phản nitrat hoá diễn ra . Nếu cả O2 và NO3- cùng có mặt thì vi sinh vật sẽ sử dụng O2 làm chất nhận điện tử do hô hấp hiếu khí sinh ra nhiều năng lợng hơn hô hấp thiếu khÝ.
Các vi sinh vật cần nitơ để tổng hợp protein, nguồn nitơ vi sinh vật có thể sử dụng trực tiếp trong tổng hợp là NH4+ . Trong trờng hợp không sẵn có nguồn NH4+, một số vi sinh vật có khả năng khử NO3- thành NH4+ để sử dụng.
Khi đó một phần nitơ đã đợc chuyển vào trong tế bào, quá trình khử nitơ kiểu này đợc gọi là “khử nitrat do đồng hoá “.
Phần lớn vi khuẩn phản nitrat hoá là vi khuẩn dị dỡng tức là chúng cần nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào, chỉ có một số ít vi khuẩn nitrat hoá
là vi khuẩn tự dỡng, sử dụng nguồn cacbon vô cơ để tổng hợp tế bào. Ví dụ : Loài Thiobaccillus denitrificans có khả năng ôxy hoá lu huỳnh nguyên tố lấy năng lợng và sử dụng nguồn cacbon từ CO2 hoà tan hoặc HCO3- để tổng hợp tế bào .
II.2.1.1 Cơ chế của quá trình :
Phơng trình phản ứng mô tả quá trình phản nitrat hoá phụ thuộc vào nguồn cacbon sử dụng. Với NO3- là chất nhận điện tử và nguồn Cacbon là metanol , axit acetic , mêtan và nớc thải ta có các phản ứng sau :
6 NO3- + 5 CH3OH → 3 N2 + 5 CO2 +7 H2O + (OH)- 8 NO3- + 5 CH3COOH → 4 N2 + 10 CO2 + 6 H2O 8 NO3- + 5 CH4 → 4 N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 (OH)-
10 NO3- + C10H19O3N → 5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3 +10 (OH)- Sự trao đổi điện tử trong quá trình thể hiện ở 2 phơng trình sau : NO3- + 6 H+ +5 e- → 0.5 N2 + 3 H2O
5 CH3OH + 5 H2O → 5 CO2 + 30 H+ + 30 e-
Rõ ràng NO3- nhận điện tử và bị khử thành N2, nguồn cacbon trong tr- ờng hợp này là metanol bị mất điện tử và đợc ôxy hoá thành CO2. OH- sinh ra trong phơng trình trên kết hợp với CO2 tạo thành HCO3- :
OH- + CO2 → HCO3-
Khi đó các phản ứng đồng hoá và dị hoá nitơ là nh sau:
Dị hóa nitơ :
Khử NO3- thành NO2 :3NO3- + CH3OH → 3NO2- + H2O + H2CO3
Khử NO2- thành N2 : 2NO2- + CH3OH + H2CO3 → N2 + 2HCO3- +2H20 Khử NO3- thành N2 :6NO3-+5CH3OH+H2CO3 → 3N2+8H2O + 6HCO3-
Đồng hoá nitơ :
14CH3OH + 3NO3 +4H2CO3→ 3C5H7NO2 + 20H2O + 3HCO3-
Phản ứng kết hợp 2 quá trình đồng hoá và dị hoá :
NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.056C5H7NO2+0.47N2+1.68H2O+HCO3-
NO2- + 0.53 H2CO3 + 0.67 CH3OH
→ 0.04 C5H7 NO2 + 1.23 H2O + 0.48N2 + HCO3-
Trờng hợp có mặt ôxy vi khuẩn sẽ u tiên sử dụng ôxy làm chất nhận
điện tử, phản ứng xảy ra :
O2 + 0.93 CH3OH + 0.056 NO3-
→ 0.056 C5H7NO2+1.04H2O+ 0.59 H2CO3 + 0.056 HCO3-
Theo lý thuyết lợng metanol cần thiết để khử NO3- trong trờng hợp không kể đến tổng hợp tế bào là 1.9 mg CH3OH/mg NO3- . Nếu kể cả tổng hợp tế bào, lợng metanol cần thiết tăng lên là 2.47 mg CH3OH/mg NO3- .
Tính toán tơng tự với lợng metanol cần thiết để khử NO2 và O2 có công thức tính tổng lợng metanol cần thiết nh sau :
Cm = 2,47 NO3- -N + 1,53 NO2 -N + 0,87 DO Cm : nồng độ metanol cần thiết , mg/l .
NO3- -N : nồng độ NO3- -N đợc khử , mg/l . NO2- -N :nồng độ NO2- -N đợc khử , mg/l . DO : oxy hoà tan đợc khử , mg/l .
II.2.2 ảnh hởng của các yếu tố môi trờng tới quá
trình phản nitRat hoá : II.2.2.1 ảnh hởng của DO :
Quá trình phản nitrat hoá xảy ra khi NO3- đợc vi sinh vật sử dụng làm
chất nhận điện tử trong phản ứng ôxy hoá chất hữu cơ thu năng lợng. Nếu trong môi truờng có ôxy, vi sinh vật sẽ u tiên sử dụng ôxy làm chất nhận điện tử, khi đó quá trình phản nitat hoá bị cản trở .ảnh hởng của lợng ôxy hoà tan tới tốc độ quá trình phản nitat hoá có thể biểu diễn bằng phơng trình động học Monod :
àd=
s K
s
O OA
OA
d* +
àmax, SO : nồng độ oxi hoá tan , mg/l . KOA : Hằng số bán tốc độ .
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ ôxy hoà tan là 1ữ2 mg/l không ảnh hởng tới quá trình phản nitrat hoá trong hệ thống lọc sinh học nhng trong hệ thống bùn hoạt tính thì nồng độ ôxy hoà tan nên nhỏ hơn 0.3 mg/l .
II.2.2.2 ảnh hởng của nhiệt độ:
Quá trình phản nitat hoá có thể xảy ra trong khoảng 5ữ35 oC . Nhiều loài vi khuẩn phản nitrat hoá dễ thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ. Do đó
điều quan trọng là xem xét sự khác nhau giữa ảnh hởng của nhiệt độ trong thời gian dài và thời gian ngắn tới quá trình phản nitrat hoá.
Tốc độ tăng trởng của vi sinh vật và tốc độ khử nitrat đều chịu ảnh hởng tác động của nhiệt độ. Cần phân biệt 2 dạng phản ứng đối với nhiệt độ trong quá trình phản nitrat hoá. Dạng phản ứng thứ nhất là phản ứng nhiệt độ tức thời (nhanh) có thời gian phản ứng thờng nhỏ hơn so với phản ứng nhiệt độ lâu dài . Phản ứng nhiệt độ lâu dài là hỗn hợp của phản ứng tức thời và sự thích nghi của vi sinh vật .
Sự phụ thuộc của tốc độ phản nitrat hoá vào nhiệt độ có thể biểu diễn bằng phơng trình sau :
à d
max, t = à d
max, 20*Y T-20 Y : hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ .
Vì nhiệt độ thờng thay đổi chậm, nên sự phụ thuộc vào nhiệt độ lâu dài là quan trọng hơn cả .
II.2.2.3 ảnh hởng của nồng độ cacbon
ảnh hởng của nồng độ cacbon tới tốc độ phản nitrat hoá cũng đợc mô
tả bằng phơng trình động học Monod. sử dụng metanol làm nguồn cung cấp cacbon, phơng trình nh sau :
àd=
M K
M
M
d* +
àmax, M : nồng độ metanol , mg/l .
KM: Hằng số bán tốc độ .
Giá trị của KMthờng rất thấp, thờng chấp nhận là : 0.1mg/l metanol .
II.2.2.4 ảnh hởng của pH :
Phản nitrat hoá không thể xảy ra khi pH thấp vì ở điều kiện đó vi khuẩn phản nitrat hoá không hoạt động.
Nhiều nghiên cứu khác nhau chỉ ra các giá trị pH tối u cho quá trình phản nitrat hoá khác nhau, nhng phần lớn nghiên cứu đều cho thấy rằng tốc độ phản nitrat hoá có giá trị cao nhất trong khoảng 7.0 ữ7.5 .
Tác động của pH tới quá trình phản nitrat hoá cũng phụ thuộc vào thời gian tác động. Tác động của pH trong thời gian ngắn là đáng quan tâm hơn cả
vì pH thờng thay đổi trong thời gian dài .
Trong quá trình kết hợp nitrat hoá phản nitrat hoá pH thờng ổn định do quá trình phản nitrat hoá sinh ra axit nhng đợc trung hoà bởi kiềm do quá trình phản nitrat hoá sinh ra .