2.4 Các công nghệ xử lý nitơ
2.4.3. Công nghệ dựa trên quá trình anammox
Từ những năm 1995, phản ứng chuyển hóa hợp chất nitơ mới cả về lý thuyết và thực nghiệm đã được phát hiện trong nước thải. Đó là phản ứng oxy hóa amoni trong điều kiện kị khí (Anaerobic Ammonium Oxidation – ANAMMOX) để tạo thành nitơ phân tử mà không cần cung cấp chất hữu cơ, chất dinh dưỡng. Bản chất của quá trình là amoni được oxy hóa trong điều kiện kỵ khí mà nitrit là chất đóng vài trò nhận điện tử để tạo thành nitơ phân tử. Đây là quá trình oxy hóa amoni bởi nitrit xảy ra trong điều kiện không có oxy theo tỷ lệ giữa amoni và nitrit gần bằng 1:1, cơ chế sinh hóa dựa vào sự cân bằng sinh khối trong quá trình làm giàu anammox được thiêt lập cụ thể sau:
𝑁𝐻4++ 1,32 𝑁𝑂2−+ 0,066 𝐻𝐶𝑂3−+ 0,13𝐻+
= 1,02 𝑁2+ 0,26𝑁𝑂3−+ 0,066𝐶𝐻2𝑂0,5𝑁0,15+ 2,03𝐻2𝑂 (2.27)
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 23 Trong đó quá trình khử amoni trong điều kiện kỵ khí xảy ra trong điều kiện tự dưỡng mà NO2- đóng vài trò không thể thiếu trong quá trình thực hiện sự chuyển hóa chất dinh dưỡng. Đây là một chu trình sinh học của nitơ, nó cùng với quá trình nitrat hóa, khử nitrat và cố định nitơ, tạo nên một chu kì khép kín của nitơ.
Cho đến nay đã phát hiện được 3 nhóm vi khuẩn anammox, cụ thể là Brocadia, Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox này là những phân thanh viên mới của nghành Planctomycetes, bộ Planctoycetales. Mặc dù về nguyên tắc, vi khuẩn anammox tồn tại trong môi trường tự nhiên của các hệ xử lý nước thải có nồng độ ammonium cao, nhưng việc làm giàu, nuôi cấy khó khăn do sinh trưởng chậm, do đó, việc làm giàu sinh khối là rất cần thiết đối với các hệ xử lý chuyên biệt.
Cơ chế của quá trình anammox cũng như đặc điểm của vi khuẩn anammox đã được trình bày ở 2.1.5
Nhìn chung, công nghệ này có thể chia thành 3 nhóm:
- Nhóm sử dụng 2 bể phản ứng cho 2 quá trình nitrit hóa và anammox trong 2 bể phản ứng
- Nhóm sử dụng 1 bể phản ứng cho 2 quá trình này.
- Kết hợp giữa quá trình khử nitrat và anammox.
2.4.3.1 Công nghệ Sharon – Anammox
Sharon được viết tắt từ cụm từ “single Reactor system for High Activity Ammonia Removal Over Nitrte”. Sharon – Anammox là sự lai hợp giữa 2 quá trình xử lý ammonium bằng Sharon và anammox.
Bể phản ứng sharon có thể tiếp nhận dòng vào với nước thải có nồng độ nitơ cao và dòng ra có tỷ lệ tổng nitơ amoni và nitrit là 1:1, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa tổng amoni và tổng cabon vô cơ trong dòng vào của bể phản ứng sharon (Van Hulle, 2003).
Dòng ra của bể phản ứng sharon tiếp theo được chuyển đến bể phản ứng anammox, tại đây những thành phần còn lại của Amoni trong nước thải sẽ bị oxy hóa thiếu khí với chất nhận electron là NO2- (Jetten, 1999) và sản phẩm là N2 tự do. Mô hình của bể phản ứng Sharon – Anammox được trình bày ở hình 2.5
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 24 Hình 2.5 Mô hình Sharon - Anammox
2.4.3.2 Quá trình nitrit hóa bán phần và anammox trong 1 bể phản ứng
Quá trình này có nhiều tên gọi khác nhau như deammonification, CANON (completely Autotrophic Nitrgen removal Over nitrite), SNAP (Single – stage Nitrogen removal using the anammox and Partail nitritation), OLAND (the Oxygen Limited Auntotrophic nitritfication Denitrification),…. Nhưng bản chất của chúng vẫn là ứng dụng nitrit hóa bán phần và anammox trong một bể phản ứng để xử lý nitơ. Để tránh nhầm lẩn, công nghệ ứng dụng quá trình này sẽ được gọi tên chung là Deammonification.
Deammonification dựa trên sự cân đối của sự tồn tại và hợp tác của vi khuẩn AOB và anammox trong một bể phản ứng. Nó có thể được thực hiện dưới điều kiện oxi hạn chế để tránh sự ức chế của vi khuẩn anammox và đồng thời lượng oxi đủ để tạo điều kiện cho AOB phát triển tốt nhất. Những hệ thống có thể đáp ứng được quá trình này thường là các loại bể phản ứng có sử dụng giá thể, bể phản ứng hoạt động theo mẽ, bùn hạt…[33]
Với quá trình này, trong bể phản ứng, một phần NH4+ sẽ bị vi khuẩn AOB oxi hóa và chuyển thành nitrit. Sau đó, nitrit cùng với NH4+ được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ vi khuẩn anammox. Trong trường hợp này, nitrit sẽ là chất nhận điện tử cho quá trình oxi hóa NH4+. Trong bể phản ứng, cả quá trình nitrit hóa bán phần và quá trình anammox được diễn ra lần lượt.
Giai đoạn đầu, tạo điều kiện cho quá trình nitrit hóa bán phần xảy ra
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 25 1,3 NH4+ + 1,95 O2 2,6 H+ + 1,3 NO2- + 1,3 H2O (2.28)
Giai đoạn sau, tạo các yếu tố thích hợp cho vi khuẩn anammox phát triển để khử amoni và nitrit thành khí nitơ
1 NH4+ + 1,32 NO2- 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 2 H2O (2.29) Tổng hai phương trình phản ứng được thể hiện qua phương trình 2.30
1 𝑁𝐻4++ 0,85 𝑂2 = 0,435 𝑁2+ 0,13𝑁𝑂3−+ 1,4𝐻++ 1,43𝐻2𝑂 (2.30)
Như vậy, quá trình tạo ra H+ (hay tiêu thụ kiềm), vì vậy, quá trình này rất phù hợp cho xử lý nước thải có đủ lượng kiềm để chịu được khả năng giảm pH và cung cấp đủ kiềm cho toàn bộ quá trình. Những nước thải đáp ứng được yêu cầu này thường là nước thải được tách ra từ quá trình phân hủy bùn kị khí như nước rỉ rác lâu năm, nước sau bể biogas…
Việc có mặt hoặc có hoạt tính của vi khuẩn NOB trong bể phản ứng cần phải được ngăn chặn nhằm tránh sự oxi hóa nitrit thành nitrat nhằm đạt đến hiệu quả cao nhất của mô hình. Để ức chế vi khuẩn NOB và tạo điều kiện cho AOB phát triển, người ta có thể dựa vào những đặt điểm phát triển khác nhau của 2 nhóm vi khuẩn này như nồng độ oxi hòa tan, nhiệt độ, pH, amonia tự do (FA), thời gian lưu bùn… Nồng độ oxi tối ưu trong các loại bể phản ứng có thể khác nhau với từng loại, phụ thuộc vào hình dạng của bể phản ứng, độ dày của màng sinh học, thành phần của chất thải, nhiệt độ…..
Bể phản ứng đầu tiền được áp dụng từ quá trình này được thực hiện vào tháng 4 năm 2001 ở Đức, với một bể phản ứng lớn có dung tích 104 m3 và 2 bể phản ứng nhỏ hơn có dung tích 67 m3, bể phản ứng sử dụng giá thể sinh học lơ lửng (tổng diện tích bề mặt giá thể đạt 47200 m2), tải lượng 340kgNH4-N/ngày, hiệu quả của mô hình đạt 70 – 80% với tốc độ loại bỏ 400gN/m3.ngày, trong mô hình này người ta đã giữ nồng độ oxi dưới 1 mg/lit. Ngoài ra, hiện nay còn có các bể phản ứng khác áp dụng quá trình này để xử lý nước thải sai phân hủy kị khí bùn như:
- Mô hình ở Stass, Úc, mô hình xử lý tương đương với nước thải của 200.000 dân (với tải 340 kg NH4-N/ngày) bằng bể phản ứng gián đoạn (SBR) với dung tích 500 m3, hiểu quả loại bỏ N-NH4+ là 90% và TN là 86%.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 26 - Mô hình ở Glarnerland – Zurich, Thủy Sỹ với bể phản ứng gián đoạn (SBR) có dung tích 400 m3 xử lý trên 635 kgN/ngày (tốc độ loại bỏ khoảng 500 gN/m3.ngày) ứng với hiệu quả xử lý trên 90%.
- Mô hình ở Rotterdam Dokhanven, Hà Lan với bể phản ứng nhỏ gọn, xử lý tương đương nước thải của 620.000 dân, dung tích chỉ 72m3, tải trọng 700 kgN/ngày, với hiệu quả xử lý đạt 95% NH4-N và 85% TN.
- Mô hình ở Swede, công suất xử lý tương đương 278.000 dân, hoạt động từ tháng 4 năm 2007 với 2 bể phản ứng với thể tích 900 m3, mô hình hoạt động theo kiểu hiếu khí gián đoạn với 40 phút thổi khí (DO khoảng 3 – 4 mg/lít) và 20 phút yếm khí. Hệ thống xử lý 600 kgN/ ngày.
Bên cạnh đó, hiện nay cũng còn khá nhiều nghiên cứu ứng dụng quá trình này cho xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao. Năm 2012, Xiaoyan Chang và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng để loại bỏ nitơ với hàm lượng khác nhau (200, 300, 400 mgN/l) trong điều kiện nhiệt độ môi trường (15 – 23oC), kết quả cho thấy, hệ thống CANON có hiệu quả nitơ đạt 83,90% ở tải 1,26 KgN/m3.ngày.[33]
2.4.3.3. Quá trình Denamox
Quá trình này còn được gọi là DEAMOX (Denitrifying Ammonium OXidation). Là sự kết hợp quá trình khử nitrat (denitrification) và quá trình anammox.
Đây là quá trình hiện nay vẫn đang được nghiên cứu. Quá trình này thích hợp xử lý nước thải có thành phần nitơ và cacbon hữu cơ cao, như là nước rỉ rác mới, nước thải từ các hệ thống phân hủy chất thải động vật. Gần đây, một nghiên cứu mới được gọi là SNAD (Simultaneous partial Nitrification Anammox and Denitrification) được phát triển dựa trên nguyên lý của quá trình Denammox.
Năm, Jin-Gaw Lin và cộng sự đã nghiên cứu xử lý nước thải của nghành công nghiệp điện quang bằng mô hình SNAD. Nước thải với các thông số đầu vào 100 mg COD/l, 567 mgNH4-N/l, nghiên cứu được thực hiện trong 8 tháng với 6 tải khác nhau (từ tải I với 160gN/m3.ngày đến tải VI với 230gN/m3.ngày), ở tải VI hiệu quả xử lý đạt 28gCOD/m3.ngày và 197gCOD/m3.ngày. [5]
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 27 Bảng 2.3 So sánh một số công nghệ xử lý nitơ khác nhau [6]
Đặc điểm Công nghệ truyền thông (nitrat hóa – khử nitrat)
Sharon (nitrit hóa- khử nitrit)
Nitrit hóa bán phần và
anammox trong 1 bể phản ứng
Nitrit hóa bán phần và
anammox trong 2 bể phản ứng Số bể phản
ứng
2 2 2 1
Điều kiện Hiếu khí/thiếu khi
Hiếu
khí/thiếu khí
Hiếu khí/kị khí Oxy giới hạn Yêu cầu oxi
(gO2/gN)
4,57/0 3,43/0 1,71 (1)/0 1,94
%oxi tiết kiệm (2)
- 24,9% 62,6% 57,5%
Tiêu thụ kiềm
7,07/-3,57 (3) 7,07/-3,57 (3) 3,57/0,24 3,68 Sự điều
khiển pH
Có Không Không Không
Yêu cầu cacbon (gCOD/gN) (4)
3,7 2,3 0 0
% cacbon tiết kiệm được (2)
- 37,8% 100% 100%
Vi khuẩn tham gia chính
AOB, NOB/Vi khuẩn khử nitrat
AOB/vi khuẩn khử nitrit
AOB/
ANAMMOX
AOB/
ANAMMOX Lưu bùn Không/không Không/không Không/có Có
Tạo bùn Cao Thấp Thấp Thấp
(1)Nếu nitrit hóa bán phần xãy ra đến 60%, oxi yêu cầu là 2,06gO2/gN (2)So sánh với công nghệ truyền thống (nitrat hóa – khử nitrat)
(3)Kiềm được tạo ra trong bước khử nitrit và khử nitrat bằng sinh vật dụ dưỡng.
(4)Dựa trên methanol.