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
1.2.2.2. Phương pháp sinh học truyền thống
Quá trình nitrat hoá sinh đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái trên trái đất, đặc biệt là với chu trình của nitơ. Đây là phương pháp truyền thống để xử lí amoni, là quá trình chuyển hoá sinh hoá các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có tính khử thành các hợp chất vô cơ có tính oxi hoá. Amoni được xử lý qua 2 giai đoạn: giai đoạn nitrat hoá và giai đoạn đề nitrat hoá.
- Quá trình nitrat hóa (Nitrification process):
Vi khuẩn Nitrat hoá:
Các loại vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hoá gồm Nitrosomonas và Nitrobacter. Các vi sinh vật này được coi là loại tự dưỡng bởi vì chúng sử dụng nguồn cacbon vô cơ. Cả 2 loại vi sinh vật này đều có yêu cầu về môi trường riêng biệt cho sự sinh trưởng như pH, nhiệt độ, oxi hoà tan. Thêm vào đó, sinh trưởng của chúng chậm hơn nhiều so với vi sinh vật dị dưỡng. Nhiều loại kim loại nặng hoặc các hợp chất hữu cơ có thể ức chế sự phát triển của vi sinh vật nitrat hoá. Nitrosomonas chỉ có thể oxi hoá amoni thành nitrit, cũng như Nitrobacter chỉ oxi hoá nitrit thành nitrat.
Hình 1.2. Vi khuẩn Nitrosomonas Hình 1.3. Vi khuẩn Nitrobacter
* Điều kiện tối ưu cho sự phát triển của 2 loại vi khuẩn trên
- Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ từ 25 – 300C thích hợp cho việc nitrat hoá, trong đó, tại nhiệt độ xung quanh 300C, tốc độ nitrat hoá là cao nhất.
- pH: Người ta thấy rằng, pH tối ưu cho Nitrosomonas và Nitrobacter tương ứng nằm trong khoảng 5,5 – 9,0 nhưng tốt nhất là 7,5 [7].
* Phương trình tỷ lượng:
Sự oxi hoá của NH4 xảy ra theo 2 bước như sau:
Bước 1: Amoni được oxi hoá thành nitrit
NH4+ + 3/2 O2 Nitrosomonas NO2- + 2H+ + H2O (1.9)
Vi khuẩn thực hiện quá trình này ở thuỷ vực nước ngọt có tên là Nitrosomonas europara và trong thuỷ vực nước lợ có tên là Nitrosococcus.
Bước 2: Oxi hoá NO2- thành NO3-
NO2- + 1/2O2 Nitrobacter NO3- (1.10) Phương trình tổng cộng có thể viết như sau:
NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O (1.11)
Để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn, muốn oxi hoá 1g NH4+ cần 4,57g O2.
Phản ứng tạo sinh khối cũng xảy ra đồng thời với quá trình nitrat hoá theo phương trình:
NH4+ + HCO3- + 4CO2 + H2O C5H7O2N+ 5O2 (1.12) Trong đó, C5H7O2N là công thức tượng trưng cho tế bào vi khuẩn.
Kết hợp (1.11) và (1.12), phương trình tổng cộng của quá trình oxi hoá và tạo sinh khối là :
22NH4+ + 37O2 + HCO3- + 4CO2 C5H7O2N + 21NO3- + 20H2O + 42H+ (1.13)
Từ phương trình trên, ta thấy rằng: tính kiềm sẽ giảm dần trong suốt quá trình nitrat hoá [19].
* Hiệu quả của quá trình nitrat hoá.
Vận tốc quá trình nitrat hoá phụ thuộc vào tuổi thọ bùn, nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng amoni, oxy hoà tan, vật liệu lọc. Ở nhiệt độ cao, quá trình diễn ra thuận lợi hơn.
Quá trình nitrat hoá diễn ra có hiệu quả khi hàm lượng oxy hoà tan lớn hơn 4 mg/L. Với hàm lượng oxy hoà tan 2 mg/L, hiệu suất quá trình giảm đi 50%. Các vi khuẩn nitrat hoá có khả năng kết tụ thấp, do vậy, việc lựa chọn vật liệu lọc, nơi các màng vi sinh vật bám dính cũng có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu suất xử lý [5].
- Quá trình đề nitrat hoá
Là quá trình yếm khí khử nitơ ở dạng N - NO3- qua một loạt các quá trình trung gian như (NO, N2O…) và sản phẩm cuối cùng là N2 nhờ các loài vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn đề nitrat hóa) [19].
Vi khuẩn đề nitrat hoá:
Không giống như vi khuẩn Nitrat hoá tự dưỡng, trong giai đoạn nitrat hoá, vi khuẩn đề nitrat hoá là vi khuẩn dị dưỡng. Các loại phổ biến là Bacillus Micrococcus, Pseudomonas, Achromobacter.
Hình 1.4. Vi khuẩn Bacillus
Hình 1.5. Vi khuẩn Pseudomonas
Trong môi trường kị 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, etanol, axetat, glucozơ và một số hợp chất khác. Metanol (CH3OH) không đắt, vì vậy nó thường được sử dụng rộng rãi hơn cả.
* Phương trình tỷ lượng:
Đề nitrat hoá là quá trình gồm 2 bước, sử dụng metanol là chất cho điện tử có thể được biểu diễn theo phương trình sau:
2CH3OH + 6NO3- 6NO2- + 2CO2 + 4H2O (1.14)
3CH3OH + 6NO2- 3CO2 + 3N2 + 3H2O + 6OH- (1.15) Phương trình tổng cộng:
5CH3OH + 6NO3- 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH- (1.16)
Bởi vì sự tổng hợp tế bào xảy ra đồng thời với sự khử nitrat, nên phương trình tổng hợp bao gồm cả 2 quá trình trên được viết lại như sau:
58NO3- + 80CH3OH + 98H+ 30CO2 + 24N2 + 10 C5H7O2N + 174H2O (1.17)
Nước có oxy hoà tan sẽ làm giảm hiệu suất của quá trình khử nitrat hoá, do các vi khuẩn sẽ sử dụng O2 thay cho NO3- hay NO2- như chất nhận điện tử từ phản ứng khử nitrat do vậy cần bổ sung thêm một lượng metanol vào nước [19].