Quỏ trỡnh khử hợp chất N cú thể được sơ đồ húa như sau:
Hỡnh 2.4. Sơ đồ quỏ trỡnh khử hợp chất N
a. Quỏ trỡnh oxy húa amoni
Cụng thức tổng hợp mụ tả sự oxy húa và tổng hợp tế bào:
1,02NH4++1,89O2+2,02HCO3- 0,021C5H7NO2 + 1,06 H2O+ 1,92 H2CO3 + NO3-
Cú khoảng 20-40% NH4+được tiờu thụ trong quỏ trỡnh tổng hợp tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối cú thể viết như sau:
4 CO2 + HCO3 - + NH4 + + H2O C5H7O2N (tế bào vi khuẩn) + 5 O2
Oxy húa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nờn tốc độ oxy húa của quỏ
trỡnh bị khống chế bởi gian đoạn cú tốc độ thấp hơn. Tốc độ phỏt triển của
Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đú nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn ổn định. Vỡ vậy trong quỏ trỡnh động học người ta chỉ sử dụng cỏc thụng số liờn
quan đến vi khuẩn Nitrosomonasđể đặc trưng cho quỏ trỡnh oxy húa amoni. Khử nitrat Nitrat húa Amụn hoỏ ( NO2 N2 ) ( NO2- NO3-) NH4+ nước NH4+ Nước N-hữu cơ
Tốc độ phỏt triển của VSV tự dưỡng tuõn theo quy luật động học của Monod.
Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phỏt triển của VSV tự dưỡng là nồng độ NH4+ và DO. DO N N N m K DO DO K S S . .
Trong đú: : hằng số phỏt triển riờng của VSV tự dưỡng m: hằng số phỏt triển cực đại của VSV tự dưỡng
SN: nồng độ NH4+
DO: nồng độ oxy hũa tan
KN: hằng số bỏn bóo hũa của NH4+ KDO: hằng số bỏn bóo hũa của oxy
Phương trỡnh trờn cú 3 thụng số động học (m, KN, KDO), cỏc thụng số (KN, KDO) được xỏc định bằng thực nghiệm KN=0,256-1,84mgN-NH4+/l, KDO=0,15-2,0 mgO2/l. Tại nhiệt độ 200C nờn chọn KN=1,0 mgN-NH4+/l, KDO=0,4mgO2/l [20].
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phỏt triển của VSV tự dưỡng:
+ DO: DO cần thiết cho quỏ trỡnh nitrat hoỏ xảy ra ớt nhất là 0,3 mg/l
(Downing và Scragg, 1958). Tốc độ nitrat hoỏ đối với Nitrosomonas khụng phụ
thuộc vào DO nếu DO>1mg/l và đối với Nitrobacter khi DO>2mg/l (Schoberl và Angel, 1964). Theo Boon và Laudeluot (1962) nghiờn cứu tốc độ sinh trưởng của
Nitrobacter ở DO=1 mg/l và DO bóo hoà ở nhiệt độ 30 - 350C cho thấy: ở DO =
1mg/l tốc độ sinh trưởng bằng 97%, 80%, 70%, 58% ở DO bóo hoà; tương ứng với
cỏc nhiệt độ 20; 23,7; 29; 350C. Cỏc nghiờn cứu trờn thể hiện ảnh hưởng của DO đến quỏ trỡnh nitrat húa.
+ Nhiệt độ: tốc độ sinh trưởng riờng cực đại của vi khuẩn nitrat hoỏ suy giảm
khi giảm nhiệt độ. Một số nghiờn cứu đề xuất mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riờng cực đại của VSV tự dưỡng được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của VSV nitrat húa
Nguồn n,max theo nhiệt độ n,max theo nhiệt độ
100C 150C 200C (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Downing (1964) 0,47.e0,098(T-15) 0,29 0,47 0,77
Nguồn n,max theo nhiệt độ n,max theo nhiệt độ
100C 150C 200C
Barnard (1975) 0,33.(1,127)T-20 0,10 0,18 0,37
Painter (1983) 0,18.e0,0729(T-15) 0,12 0,18 0,26
Nhiệt độ ảnh hưởng đến hệ số bỏn bóo hũa Kn của quỏ trỡnh nitrat húa: - Theo (Knowles và cs..,1965) mối quan hệ giữa Kn và nhiệt độ: Kn = 10(0,051.t-1,148) - Nhiệt độ tối ưu cho quỏ trỡnh nitrat húa trong khoảng 30 – 360C, nhưng chỳng cú
thể phỏt triển ở 4 – 500C (Focht và Chang, 1975; Painter, 1970).
+ pH: giỏ trị pH thớch hợp là từ 7,6-8,6; khi pH<6,2 hoặc pH>10 sẽ ức chế
hoàn toàn quỏ trỡnh hoạt động của VSV. Ảnh hưởng của pH lờn tốc độ phỏt triển
riờng cực đại của VSV tự dưỡng: n,pH= n,7,2.[1 – 0,833(7,2 – pH)]
Tốc độ nitrat hoỏ giảm tuyến tớnh khi pH < 7,2 và ớt cú sự ảnh hưởng khi pH =7,2 – 8,0 (Angle và Alexander, 1958; và Downing, 1964). Tốc độ nitrat hoỏ đối với
Nitrobacter ở pH=6,5 bằng 60% tốc độ ở pH=7,5 (Boon và Laudelout, 1962). Khi sử dụng cỏc mẻ vi sinh nuụi cấy chưa thớch nghi cho thấy tốc độ nitrat hoỏ ở
pH=6,9 bằng 84% tốc độ ở pH=7,0 ở 200C. Tốc độ nitrat hoỏ ở pH=6,8 bằng 42%
tốc độ ở pH=7,8 tại 150C, ở nhiệt độ thấp hơn thỡ ảnh hưởng của pH nhiều hơn
(Antoniou và cs.., 1990). Tốc độ sinh trưởng riờng cực đại được phục hồi sau khi
thớch nghi với pH thấp hơn và thớch nghi hoàn toàn sau 10 ngày khi pH giảm từ 7 – 6 trong cỏc quỏ trỡnh sinh trưởng dớnh bỏm (Stankwich, 1972; Haug và McCathy, 1972).
+ Độc tố: cỏc hợp chất cú độc tố cao với VSV tự dưỡng là: hợp chất phenol,
hợp chất clo, Cl- và cỏc kim loại nặng. Đối với VSV cú tốc độ phỏt triển chậm thỡ
ảnh hưởng của độc tố đến nú là ớt hơn, như vậy trong hai quỏ trỡnh thỡ loại
Nitrosomonas ớt bị ảnh hưởng bởi độc tố hơn Nitrobacter. VSV tự dưỡng cú sức
chịu đựng độc tố kộm hơn VSV dị dưỡng, Một độc tố rất quan trọng là NH3 và axit HNO2 ở dạng trung hũa – sản phẩm và nguyờn liệu của quỏ trỡnh, Nitrobacter bị ảnh hưởng nhiều hơn (0,1-1,0 mgN-NH3/l) so với Nitrosomonas (5-20 mgN-NH3/l).
Tuy nhiờn pH của nước thải chăn nuụi thường ở mức trung tớnh nờn nồng độ NH3
trong nước thải là thấp. Ngược lại HNO2 lại tồn tại và thể hiện độc tớnh ở pH thấp.
+ Thời gian lưu bựn: thời gian lưu bựn phải đủ lớn để đảm bảo cho vi khuẩn
nitrat hoỏ phỏt triển ổn định. Thời gian lưu bựn rất quan trọng đối với nước thải
chứa cỏc hợp chất độc hại. SRT đủ lớn để cho vi khuẩn thớch nghi dần với cỏc chất độc hại. Theo Bridle và cộng sự cho thấy đối với một số nước thải cụng nghiệp
chứa cỏc hợp chất độc hại SRT > 160 ngày thỡ hiệu quả nitrat hoỏ đạt > 90%. Thời gian lưu bựn ảnh hưởng tới nhu cầu oxy mà loài vi khuẩn nitrat hoỏ nhạy cảm với
yếu tố này.
b. Quỏ trỡnh khử nitrat.
Nitrat là sản phẩm cuối của qỳa trỡnh oxy húa amoni, nitrat chưa được xem là bền vững cũng gõy độc cho mụi trường nờn cần được khử thành khớ nitơ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4NO3- + 4H+ + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O
Một số loài vi khuẩn khử nitrat như: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracoccus, Spirillum, Thiobacilus, Micrococcus, Denitrobacillus.. (Painter, 1970).
Để khử nitrat VSV cần cú chất khử, chất khử cú thể là cỏc chất hữu cơ hoặc cỏc
chất vụ cơ như (S, Fe2+). Phần lớn VSV nhỳm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng – chỳng sử dụng C hữu cơ để tổng hợp tế bào, ngoài phần sử dụng cho khử nitrat.
Song song với quỏ trỡnh khử nitrat là quỏ trỡnh tổng hợp tế bào, do đú lượng chất
hữu cơ tiờu hao cho cả quỏ trỡnh lớn hơn nhiều so với lượng chất hữu cơ cần thiết
cho khử nitrat.
Quỏ trỡnh khử nitrat khụng phải là quỏ trỡnh lờn men yếm khớ mà nú giống như
quỏ trỡnh hụ hấp hiếu khớ nhưng thay vỡ sử dụng oxy chỳng sử dụng NO2- và NO3-
khi mụi trường thiếu oxy. Trong hệ khử nitrat bởi VSV, mức độ tiờu hao chất điện
tử phụ thuộc vào sự cú mặt của chất nhận điện tử (chất oxy húa) trong hệ: oxy hũa tan, nitrit, nitrat, sunfat. Trong đú oxy hũa tan cú khả năng phản ứng tốt nhất với
cỏc chất khử vỡ trong hệ luụn cú VSV dị dưỡng hiếu khớ. VSV chỉ sử dụng đến nitrat và nittrit khi mụi trường cạn kiệt oxy hũa tan. Mức độ cạnh tranh về phương
Cỏc chất hữu cơ mà nhúm VSV khử nitrat sử dụng: nguồn nước thải, cỏc húa
chất hữu cơ đưa vào, cỏc chất hữu cơ hỡnh thành từ quỏ trỡnh phừn hủy nội sinh.
Tốc độ phản ứng khử nitrat được thể hiện qua cụng thức sau [20]:
vi = 0,03(F:M) + 0,029; vi = 0,12.c-0,706 (trong đú: - là thời gian lưu tế bào)
Tốc độ khử nitrat phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau:
+ DO: Qỳa trỡnh khử nitrat xảy ra trong điều kiện thiếu khớ nờn nồng độ oxy
hũa tan - DO ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả quỏ trỡnh vỡ oxy trong nước thải ức
chế cỏc enzyme khử nitrat. Oxy ức chế cỏc enzyme nitrit mạnh hơn cỏc enzyme khử
nitrat. Theo cỏc nghiờn cứu của Skerman và MacRae (1957), Terai và Mori (1975)
cho biết loài Pseudomonas bị ức chế ở DO 0,2mg/l. Theo Nelson và Knowless (1978) cho biết khử nitrat bị dừng khi DO là 0,13mg/l. Theo Wheatland và cs.. (1959), tốc độ khử nitrat ở DO = 0,2mg/l chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrat ở DO là 0mg/l, khi DO tăng lờn 2mg/l thỡ tốc độ khử nitrat chỉ bằng 10% ở DO là 0mg/l.
+ pH: Theo nghiờn cứu của Dawson và Murphy (1972) cho biết tốc độ khử
nitrat ở pH=6 và 8 bằng một nửa ở pH=7 cho cựng một mẻ nuụi cấy. Theo Nommik (1956), Wiljer và Delwiche (1954), Bremmer và Shaw (1958) cho thấy tốc độ khử
nitrat khụng bị ảnh hưởng khi pH từ 7-8, khi pH từ 8-9,5 và từ 4-7 thỡ tốc độ khử
nitrat hoỏ giảm tuyến tớnh.
+ Nhiệt độ: tốc độ tăng lờn gấp đụi khi tăng nhiệt độ lờn 100C trong khoảng
nhiệt độ 5-250C [2].
+ Chất hữu cơ: cỏc chất hữu cơ hũa tan dễ phõn hủy tạo điều kiện tốt thỳc đẩy
tốc độ khử nitrat. Quỏ trỡnh khử xảy ra trong điều kiện thiếu khớ và cần nguồn C- hữu cơ (1g N-NO3- cần khoảng 3g COD). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Độc tố và yếu tố kỡm hóm quỏ trỡnh khử Nitrat: loại Denitrifier ớt bị ức chế
bởi cỏc độc tố hơn nhưng vẫn là vấn đề cần quan tõm. Oxy ức chế enzym khử nitrit.
Nồng độ oxy hũa tan sẽ ức chế qỳa trỡnh khi đạt 13% nồng độ bóo hũa.
Hệ xử lý nitơ trong nước thải bằng phương phỏp sinh học cú thể riờng rẽ hoặc
tổ hợp hai quỏ trỡnh: oxy hỳa amoni và khử nitrat. Theo Lờ Văn Cỏt (2007) khi
BOD/TKN>5 nờn kết hợp hai quỏ trỡnh trờn, khi BOD/TKN<3 thỡ nờn tỏch ra thành
riờng rẽ. Phương phỏp xử lý này cú ưu điểm: linh hoạt, dễ tối ưu húa cỏc quỏ trỡnh, và giảm thiểu cỏc độc tố với VSV tự dưỡng (do đú được oxy húa ở giai đoạn 1).
Trong nước thải chăn nuụi, hàm lượng COD và nitơ đều cao nờn sự hoạt động
của VSV tự dưỡng sẽ bị cạnh tranh quyết liệt bởi VSV dị dưỡng, dẫn đến khả năng
xử lý cỏc hợp chất chứa nitơ trở lờn khú khăn hơn. Do đú cần phải oxy húa nước
thải theo nhiều giai đoạn, để tạo điều kiện cho giai đoạn sau oxy húa cỏc hợp chất nitơ được dễ dàng.