1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ
1.2.2. Các phương pháp sinh học tách loại amoni
1.2.2.3. Phương pháp sinh học Sharon
- Định nghĩa
Quá trình Sharon (Single reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite) là một quá trình mới trong quá trình nitrat hóa sinh học. Quá trình này liên quan đến quá trình nitrat hóa bán phần amoni thành nitrit, điều này góp phần làm giảm khá lớn chi phí cho quá trình hiếu khí. Quá trình Sharon rất lý tưởng cho việc loại bỏ nitơ từ dòng nước thải có nồng độ amoni cao (>0,5 gam Nitơ/L) và đã đạt được những thành công bước đầu trong quá trình nitrat hóa/ đề nitrat hóa, mà trong đó, nitrit đóng vai trò là chất trung gian dưới những điều kiện ổn định [20]. Quá trình Sharon được thực hiện mà không có bất kỳ sự lưu giữ sinh khối nào. Điều này có nghĩa là: tuổi của bùn (SRT) cân bằng với thời gian lưu thủy lực (HRT). Trong nhiều hệ thống, nồng độ đầu ra chỉ phụ thuộc vào tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn liên quan và không phụ thuộc vào nồng độ ở đầu vào. Quá trình Sharon luôn được tiến hành ở nhiệt độ trên 25oC sẽ diễn ra sự sinh trưởng nhanh chóng các vi khuẩn oxi hóa chọn lọc amoni. Tuy nhiên, các vi sinh vật này có ái lực thấp với amoni (hằng số ái lực là 20 – 40 mg N-NH4+/L).
Điều này sẽ đưa đến trong thực tế, các dòng ra của quá trình Sharon sẽ có nồng độ amoni khá cao (50 -100 mg N-NH4+/L). Vì vậy, quá trình Sharon thường thích hợp để xử lý nước thải có nồng độ amoni cao (>500 mg N-NH4+/L) [21].
Để đạt được quá trình nitrat bán phần ổn định, các thông số có thể thay đổi trong quá trình tiến hành như: nhiệt độ, pH, HRT, nồng độ chất nền, DO cần được điều khiển trong quá trình phản ứng. Nhưng có một hạn chế là việc điều khiển các thông số này có thể gặp khó khăn trong quá trình tiến hành với các thiết bị lớn [20].
- Sinh thái học của quá trình Sharon
Hunik [20] cho rằng: các vi khuẩn oxi hóa amoni sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxi hóa nitrit ở nhiệt độ cao hơn 15oC. Nếu tiến hành thí nghiệm ở 35oC, tốc độ sinh trưởng tối đa đặc trưng của vi khuẩn oxi hóa nitrit chỉ xấp xỉ bằng một nửa tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn oxi hóa amoni (0,5 và 1 ngày-1). Chỉ ở những nhiệt độ trên 25oC, các vi khuẩn oxi hóa amoni mới có khả năng cạnh tranh hiệu quả so với các vi khuẩn oxi hóa nitrit.
Quá trình oxi hóa amoni là một quá trình mang tính axit. Vì vậy, việc điều khiển pH là quan trọng để ngăn chặn sự ức chế quá trình. Các vi khuẩn oxi hóa nitrit đặc biệt dễ bị ảnh hưởng do sự thay đổi pH. Khi pH giảm xuống dưới 6,5, quá trình oxi hóa amoni sẽ không xảy ra nữa do trạng thái cân bằng giữa nồng độ của NH3 và NH4+ phụ thuộc vào pH. Vi khuẩn oxi hóa nitrit bị ức chế hoàn toàn bởi 1gam NH2OH m-3, còn amoni tự do bắt đầu ức chế Nitrosomonas trong khoảng nồng độ từ 10 – 150 g NH3 m-
3. Vì vậy, các vi khuẩn oxi hóa nitrit sẽ sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxi hóa amoni ở giá trị pH thấp, còn ở pH cao thì ngược lại. Vì vậy, pH cao được ưu tiên trong việc tạo một dòng ra với nồng độ amoni thấp. Ở pH trên 8, quá trình nitrat cũng suy giảm. Đó là do có quá nhiều NH3 gây độc đối với các vi khuẩn oxi hóa nitrit. Tỉ lệ amoni/ nitrit trong dòng ra của quá trình Sharon có thể dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi pH phản ứng giữa 6,5 và 7,5 [20].
Amoni được chuyển thành nitrit nhờ vi khuẩn oxi hóa amoni (AOB). Sau đó, nitrit được chuyển thành nitrat nhờ vi khuẩn oxi hóa nitrit (NOB). AOB có khả năng sử dụng amoni như một nguồn năng lượng duy nhất và CO2 là nguồn cacbon chính. Đây là nguyên nhân gây ra giai đoạn giới hạn tốc độ của quá trình nitrat hóa. Thông thường, AOB là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc; nhưng có vài loại đặc biệt có thể thích nghi được với điều kiện oxi thấp hoặc môi trường yếm khí. Vi khuẩn oxi hóa amoni được chia thành các loại khác nhau dựa trên hình thái học tế bào như Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrosospira, Nitrosovibrio và Nitrosolobus. Vi khuẩn nitrat (vi khuẩn oxi hóa amoni và nitrit hiếu khí) thuộc vào nhóm rất hạn chế của các sinh vật tự dưỡng.
Nitrosomonas và Nitrosospira được biết đến là những vi khuẩn oxi hóa amoni tốt nhất.
Trong khi Nitrobacter và Nitrospira là những vi khuẩn oxi hóa nitrit tốt nhất. Enli cùng cộng sự (2003) cho rằng: các phân nhóm AOB, Nitrosomonas eutropha và Nitrosomonas europea chỉ xuất hiện ở pH 7,5 và 30oC. Tác giả còn chỉ ra rằng: pH quan trọng hơn nhiệt độ trong việc chọn lọc N. eutropha N. europea. AOB tạo ra một lượng lớn các polysaccarit ngoại bào (EPS) khi sinh trưởng trong cộng đồng màng sinh học bề mặt. Vi khuẩn EPS ở pH cao có sức chịu đựng lớn hơn ở pH thấp. Cộng đồng vi khuẩn oxi hóa amoni có xu hướng cư trú ở những vùng phía ngoài của bông và màng sinh học, nơi mà nồng độ oxi cao, trong khi NOB cư trú ở vùng phía trong và sát ngay với AOB, nơi mức độ oxi thấp hơn. Quá trình nitrat hóa bị hạn chế chủ yếu ở vòng ngoài cùng 100 – 150 μm của bông hay màng [17].
- Ưu điểm của quá trình Sharon
So với các quá trình khác, quá trình Sharon xem ra khả thi nhất trong việc giảm căn bản nồng độ amoni trong nước thải có nồng độ amoni cao [7]. Hiệu suất loại bỏ nitơ có thể đạt được đến 90%. Quá trình này đòi hỏi đầu tư ban đầu khá nhỏ, bởi chỉ cần một thiết bị thùng phản ứng đơn giản được khuấy trộn tốt với kích cỡ vừa phải mà không có sự lưu giữ bùn là đủ. Quá trình này không tạo ra bùn hóa học, và tạo ra khá ít bùn sinh học; nó cũng cần khá ít oxi do quá trình oxi hóa chỉ đến giai đoạn nitrit, điều
này góp phần tiết kiệm năng lượng và việc phải đưa thêm nguồn cacbon vào. So với quá trình nitrat hóa và đề nitrat hóa truyền thống theo con đường nitrat, quá trình Sharon cần ít năng lượng hơn.
NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + H2O + 2H+
NO2- + 0,5 CH3OH → 0,5 N2 + 0,5 CO2 + 0,5 H2O + OH- (1.19) - Ứng dụng quá trình Sharon
Quá trình Sharon được ứng dụng để xử lý nước loại ra từ quá trình phân hủy bùn để đi vào thiết bị phản ứng chính, nơi mà dòng nước này sẽ được quay vòng. Theo lý thuyết, đầu vào trong quá trình Sharon chứa một lượng cân bằng về số mol giữa amoni và đicacbonat. Điều này phù hợp với nước thải của quá trình phân hủy bùn. Đầu ra của quá trình Sharon sẽ chứa một tỉ lệ amoni: nitrit cần thiết là 1:1. Điều này cần cho dòng vào của quá trình Anammox [1]. Quá trình Sharon thực hiện với đầu ra của quá trình phân hủy bùn tiến hành ở nhiệt độ 30 – 40oC trong một thiết bị phản ứng có điều nhiệt mà không có bất kỳ sự lưu giữ sinh khối nào. Vì vậy, tốc độ pha loãng được đặt ở tốc độ mà ở đó, sự sinh trưởng của vi khuẩn oxi hóa amoni đủ nhanh để ở lại trong thiết bị phản ứng; trong khi vi khuẩn oxi hóa nitrit bị loại bỏ ra ngoài [21].
Thiết bị phản ứng Sharon được sử dụng để đưa vào quá trình Anammox chỉ cần 50% amoni cần được chuyển thành nitrit:
NH4+ + HCO3- + 0,75 O2 → 0,5 NH4+ + 0,5 NO2- + CO2 +1,5 H2O (1.20)
Từ phương trình phản ứng này ta có thể thấy rằng: việc đưa thêm bazơ vào là không cần thiết, vì nước bùn từ quá trình phân hủy yếm khí thường có đủ tính kiềm (ở dạng đicacbonat) để bù lại cho việc tạo thành sản phẩm axit nếu như chỉ 50% amoni bị oxi hóa. Khả năng để tạo ra một hỗn hợp 50:50 của amoni và nitrit với quá trình Sharon đã được đánh giá rộng rãi trong hệ thống ở quy mô phòng thí nghiệm với dòng vào là nước bùn (sludge liquor). Kết quả cho thấy: có thể đạt được sự ổn định trong việc chuyển hóa. Amoni được oxi hóa thành 53% nitrit ở tốc độ đưa vào là 1,2 kg
N/m3/ngày mà không cần điều khiển pH. Vi khuẩn oxi hóa amoni có khả năng chịu đựng được nồng độ nitrit cao (0,5 g NO2-N/L ở pH = 7) [15].
Quá trình Sharon cũng được ứng dụng để xử lý nước thải bãi chôn lấp. Nước thải bãi chôn lấp (Landfill leachate) là một hỗn hợp phức tạp của nước và các chất gây ô nhiễm vô cơ và hữu cơ được sinh ra trong quá trình phân hủy các chất thải được chôn lấp (landfilled wastes) và được bổ sung thêm vào do nước mưa chảy thấm qua các chất thải. Nước thải bãi chôn lấp có đặc điểm là có nồng độ các chất hữu cơ, nồng độ amoni và các muối vô cơ cao, trong một vài trường hợp có cả các kim loại nặng.
Khi sử dụng phương pháp này để xử lý nước thải bãi chôn lấp, người ta nhận thấy rằng: chìa khóa của quá trình nitrat bán phần (tích lũy nitrit) là ưu tiên cho vi khuẩn oxi hóa amoni (AOB) và ức chế vi khuẩn oxi hóa nitrit (NOB). Từ các biểu thức động học của AOB và NOB cho thấy: nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình tích lũy nitrit là nồng độ chất nền (nồng độ N-NH4+), giá trị pH, nhiệt độ, và nồng độ oxi hòa tan (DO). Giá trị N-NH4+ và giá trị pH không phải là nhân tố giới hạn sinh trưởng của AOB vì nước thải bãi chôn lấp thường có nồng độ amoni cao và có tính kiềm.
Amoni tự do (FA) được tạo thành do nồng độ amoni cao và pH có thể ức chế sự sinh trưởng của NOB, nhưng sự ức chế này không có tính ổn định do sự thích nghi của NOB đối với FA. Vì vậy, pH không phải là nhân tố điều khiển quá trình nitrit trong xử lý nước thải bãi chôn lấp. Nitrit sẽ được tạo thành ở nhiệt độ cao (35 – 40oC) trong quá trình Sharon. Tuy nhiên, quá trình chỉ thích hợp đối với nước thải có nhiệt độ cao vì lí do kinh tế, và nhiệt độ cao cũng là điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành FA nhiều hơn để ức chế NOB và AOB. Điều này không có lợi cho sự ổn định của quá trình nitrat bán phần. Vi khuẩn oxi hóa nitrit có ái lực với oxi thấp hơn vi khuẩn oxi hóa amoni. Điều này giúp ức chế sự sinh trưởng của NOB ở nồng độ DO thấp. Sự tích lũy nitrit ổn định có thể đạt được nhờ hệ số bão hòa oxi khác nhau của AOB và NOB. DO và tốc độ đưa ammoni tính theo thể tích (Nv) được chọn là nhân tố điều khiển quá trình để tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình nitrat bán phần nước thải bãi chôn lấp [16].
Việc loại bỏ nitơ từ nước thải bãi chôn lấp rác của các thành phố (urban landfill leachates) không thể tiến hành dễ dàng bởi phương pháp xử lý sinh học thông thường do nồng độ amoni cao và hàm lượng các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học thấp. Vì vậy, xử lý theo phương pháp nitrat truyền thống sẽ đắt và phải bổ sung nguồn cacbon từ bên ngoài. Amoniac tự do hay amoni là chất nền để vi khuẩn oxi hóa amoni (AOB) và có thể bị ức chế ở nồng độ rất cao. Theo Anthonisen cùng cộng sự (1976), dạng liên kết của sản phẩm phản ứng oxi hóa amoni, axit nitrơ tự do (FNA, HNO2) không có ảnh hưởng ức chế lên AOB. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây đã cho thấy rằng nồng độ khá thấp của FNA có thể ức chế hoạt tính của AOB.