CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.2. Phương pháp xử lý nitơ (N)
1.2.1. Phương pháp thổi khí cưỡng bức (Air Stripping)
Sử dụng nguyên lý chuyển hóa amoni trong nước thải từ dạng NH4+ sang NH3 nhờ sự thay đổi pH, phương pháp thổi khí cưỡng bức là một trong các phương pháo xử lý nitơ thường được áp dụng. Phương pháp này tương đối đơn giản và không xảy ra quá trình ngược. Ảnh hưởng của hoạt động thổi khí trong việc thu hồi amoni phụ thuộc vào 4 yếu tố: nhiệt độ, pH, lưu lượng khí thổi vào, tải trọng thủy lực [11].
Quá trình này hiệu quả nhất với nước thải có hàm lượng amoniac từ 20 đến 100 ppm. Amoni được xử lý bằng việc điều chỉnh pH của môi trường lên cao, sau đó thổi khí mạnh hoặc đưa vào cyclone để tách pha và loại bỏ NH3 ra khỏi dung dịch. Trong nước thải bị nhiễm amoni tồn tại cân bằng động sau:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- (1.12) Chiều của sự chuyển dịch này phụ thuộc vào sự thay đổi pH của môi trường.
Cụ thể, ở pH = 7 dung dịch chỉ tồn tại ion amoni, còn khi pH =12 thì amoniac tồn tại dưới dạng khí hòa tan. Khi pH dao động trong khoảng 7-12 thì dung ịch tồn tại đồng thời cả ion NH4+ và NH3 với tỷ lệ phần trăm phụ thuộc vào pH [12]. Tuy nhiên, phương pháp này còn nhiều hạn chế. Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến quá trình khử amoni thành amoniac, chính vì vậy phương pháp khó áp dụng ở các vùng ôn đới.
Bên cạnh đó, quá trình khử amoni không xử lý được nitrit và nitơ hữu cơ. Phương pháp này cũng gây ra nguy cơ ô nhiễm thứ cấp khi amoniac phản ứng với lưu huỳnh dioxit.
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion được sử dụng phổ biến trong xử lý nước thải để loại bỏ các hợp chất hữu cơ. Quá trình này liên quan đến sự trao đổi (phản ứng thế) của các ion trong pha rắn và trong pha lỏng. Pha rắn được gọi là chất trao đổi
10
ion hoặc nhựa trao đổi ion, tùy thuộc vào khả năng trao đổi của các ion và được chia thành nhựa cation và nhựa anion [13]. Ngoài ra, nhựa trao đổi ion còn được gọi là ionit, trong đó các ionit có khả năng hấp thụ các ion dương được gọi là cationit. Các phản ứng trao đổi cation và anion điển hình là:
Quá trình trao đổi với cationit:
2R-SO3H + Ca2+ + 2Cl- ↔ (R-SO3)2Ca + 2H+ + 2Cl- (1.8)
NH4+ +NaZ → NH4+Z +Na+ (1.9)
Việc loại bỏ amoniac cùng với việc tái sinh nhựa trao đổi ionit bằng dung dịch NaCl diễn ra tốt hơn so với dùng HCl. Quá trình tái tạo có thể tạo ra hiệu quả đáng kể chỉ sau chu kỳ tái sinh lần thứ 6 vẫn giữ nguyên hiệu suất của zeolite không bị ảnh hưởng [14].
So với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng cation thương mại để loại bỏ ammoniac trong nước có nồng độ ban đầu từ 25-150 mgNH4+/L đã đạt được hiệu suất cao, dao động trong khoảng 80-90% [15]. Ngoài việc sử dụng các loại nhựa thương mại việc thu hồi amoniac còn hiệu quả với các vật liệu tự nhiên zeolit, các zeolit tự nhiên là vật liệu trao đổi cation dồi dào, khả thi về mặt xử lý nước thải ammoniac đạt tới 90%. Zeolit có ưu điểm hơn so với các vật liệu trao đổi cation khác vì độ chọn lọc cation và thể tích rỗng cao, có chi phí xử lý thấp, zeolit cũng giải phóng các cation không độc hại như (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) đối với môi trường.
Đặc biệt, zeolit có kích thước nhỏ phù hợp với không gian hạn chế và vận hành đơn giản, dễ bảo trì [16].
Nghiên cứu của Nguyen, M.L. và Tanner, C.C. đánh giá khả năng của hai loại zeolite tự nhiên của New Zeland (Clinoptilolite và Mordenite) ảnh hưởng hai phạm vi kích thước hạt zeolite (0,25-0,50mm và 2,00-2,83mm) đến hiệu suất loại bỏ NH4+ cũng đã được nghiên cứu. Kết quả từ các thí nghiệm hấp phụ theo mẻ chỉ ra rằng cả hai loại zeolit đã được thử nghiệm, bất kể kích thước hạt, đều có hiệu suất tương đương (87–98%) khi loại bỏ NH4+ khỏi nước thải sinh hoạt hoặc dung dịch tổng hợp chứa NH4+ với nồng độ lên đến 150 gNH4.m−3 tương đương với 5,8–6,5 gNH4.kg−1 zeolit [17].
11 1.2.3. Phương pháp sử dụng vi sinh vật
Hầu hết quá trình loại bỏ nitơ sinh học thường được thực hiện thông qua phản ứng nitrat hóa và khử nitrat theo hai bước; sự loại bỏ này được tiến hành bởi các nhóm vi sinh vật khác nhau. Tổng quát, việc xử lý amoni (NH4+), nitrit (NO2–) và nitrat (NO3–) thường được thực hiện bởi vi khuẩn oxy hóa ammoniac, vi khuẩn oxy hóa nitrit và vi khuẩn khử nitrat. Có sự đa dạng trong cách tiếp cận này, và tất cả các dạng nitơ có thể trực tiếp được vi tảo chuyển hóa thành protein [18]. Quá trình amoni hóa được biểu diễn phương trình sau đây:
CO(NH2)2 + 2H2O → (NH4)2CO3 (1.10) (NH4)2CO3 + H2O → NH4+ + CO2 + 2O- (1.11) NH3+ + H+ ↔ NH4+ (1.12)
Amoni hóa là quá trình chuyển đổi N hữu cơ thành dạng khoáng NH4+. Đây là giai đoạn khởi đầu trong quá trình phân hủy N hữu cơ, thường được biết đến là quá trình khoáng hóa nitơ sử dụng các vi khuẩn urease hoặc các loại sinh vật phân hủy khác giúp phân giải các hợp chất chứa nitơ từ các vật liệu hữu cơ đã chết thành các chất đơn giản như amoniac [19].
Trong chu trình nitơ, quá trình nitrat hóa biến đổi amoni thành nitrat, được thực hiện bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa đa dạng.
Các vi khuẩn nitrat hóa chủng tự dưỡng có thể kể đến như “Nitrosomonas và Nitrobacter”. Các phản ứng gồm hai giai đoạn hình thành nitrit và oxy hóa thành nitrat.
NH4+ + 1,5O2 → 2H+ + 2H2O + NO2- (1.13)
NO2- + 0,5O2 → NO3- (1.14)
Dựa trên phương trình tổng quát, có thể ước lượng rằng cần 7,07 mg độ kiềm CaCO3, cho mỗi mg amonic bị oxi hóa. Khi nitrat hóa, axit được tạo ra do quá trình nitrat hóa làm giảm độ pH xuống dưới 7,0, cần thêm chất kiềm (vôi) vào hệ thống [20].
12
Tiếp đó, quá trình khử nitrat hóa diễn ra trong môi trường kỵ khí để xử lý nitơ thành N2. Quá trình này chủ yếu được thực hiện bởi vi khuẩn dị dưỡng như Paracoccus denitrificans và một số loài Pseudomonas, một số vi khuẩn khử nitơ tự dưỡng như Thiobacillus denitrificans cũng tham gia vào quá trình này.