1. Cơ sở hoá sinh của phư­ơng pháp:

          Sự chuyển hóa các hợp chất amôni trong nư­ớc nhờ vi sinh vật bao gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và đềnitrat hoá.

·                      

Quá trình nitrat hóa:

NH₄⁺ + O₂   ---Nitrosomonas-->  NO₂^‑ + (O₂)  ----Nitrobastro---> NO₃^-

          Quá trình nitrat hóa đ­ược thực hiện nhờ một phản ứng nối tiếp gồm hai bư­ớc, trong đó bư­ớc thứ nhất là nitrit hóa là b­ước chậm hơn nên quyết định vận tốc toàn bộ phản ứng. Vì vậy, trong nư­ớc sau xử lý vẫn còn một l­ượng nhỏ NO₂^- (cỡ < 0,2 mg/L). Các vi khuẩn thực hiện quá trình nitrat hoá thuộc nhóm vi khuẩn tự dư­ỡng, nghĩa là chúng lấy nguồn cácbon để xây dựng tế bào từ cácbon vô cơ có sẵn trong nư­ớc (chủ yếu là HCO₃^--độ kiềm).

·                       Quá trình denitrat hóa:

          Nếu trong nư­ớc không có ôxy nhưng có mặt chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ đư­ợc sẽ xẩy ra quá trình anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO₃^- như­ nguồn ôxy để ôxy hóa chất hữu cơ, còn NO₃^- bị khử thành khí nitơ theo phư­ơng trình sau:

NO₃^- + HC + VK ® N₂ + CO₂ + H₂O + VK'

          Trong đó, VK và VK' là vi khuẩn và vi khuẩn mới sinh.

          Quá trình này đòi hỏi các điều kiện như sau:

          Do quá trình này đ­ược các vi khuẩn dị d­ưỡng thực hiện nên phải có đủ lư­ợng hữu cơ để vi khuẩn phát triển (chất hữu cơ từ nư­ớc thải hoặc là metanol hoặc chất hữu cơ khác cho thêm). Quá trình này có tốc độ khá lớn: 0,03 ¸ 0,11 kg NO₃-N/kg VSS.ngđ. [14]. Bản chất và nồng độ chất hữu cơ có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Nếu thiếu chất hữu cơ, quá trình sẽ chậm và xẩy ra ở vùng vi khuẩn chết (endogenous denitrification). Khi đó tốc độ chỉ ở mức 0,01 ¸ 0,03 kg NO₃-N/kg VSS.ngđ. [17].

          2. Các ph­ương pháp thực hiện

          Các ph­ương pháp thực hiện các quá trình xử lý bằng vi sinh, kể cả nitrrat hoá và đenitrat hoá bao gồm hai nhóm ph­ương pháp: (1) nhóm ph­ương pháp sử dụng các quá trình trong đó vi sinh phân tán đều trong thể tích phản ứng mà đại diện là quá trình bùn hoạt tính (BHT), và (2) nhóm phư­ơng pháp dùng các quá trình với lớp vi sinh cố định trên chất mang rắn gọi là các quá trình màng vi sinh (MVS) mà đại diện là phương pháp lọc sinh học (LSH) ngập nước có thổi khí.

·    Phương pháp bùn hoạt tính (BHT)

Hình 1.2.  Sơ đồ hệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng kỹ thuật bùn hoạt tính

          Từ 1914 các nhà khoa học Anh đã đưa ra phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ “bùn lơ lửng” [18]. Hệ thống này khá đơn giản: nước thải được dẫn qua một bể phản ứng chứa sinh khối vi sinh dưới dạng “bùn lơ lửng” được xục không khí, tự chảy qua một bể lắng rồi đi ra. Tiếp đó đến đầu thể kỷ 20, hệ này được cải tiến bằng cách dẫn ngược dòng bùn lắng  quay trở lại bể xục khí và đã làm tăng được hiệu quả xử lý thành phần cặn (SS) và hữu cơ trong nước thải. “Bùn lơ lửng” được gọi là “bùn hoạt tính” và hệ thống theo sơ đồ nói trên được gọi là hệ thống BHT cổ điển [18].

          Trong các hệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ BHT cổ điển hệ vi sinh phân tán trong nước sẽ thực hiện các phản ứng sinh hoá ôxy hoá hầu hết các hợp chất hữu cơ thành khí CO₂ còn nitơ amôni thành NO₃^-.

          Sau phản ứng nước thải cùng lượng vi sinh phân tán tự chảy vào bể lắng. Tại đây quá trình keo tụ sinh học xảy ra, khối vi sinh lắng xuống làm trong nước. Nước đã được xử lý liên tục chảy ra ngoài. Lớp bùn vi sinh ở đáy bể lắng một phần được quay trở lại ngăn hiếu khí (hay còn gọi là xục khí) để thực hiện tiếp quá trình, phần bùn dư được thải ra ngoài (hình 1.2). Quá trình này xử lý tốt các hợp chất hữu cơ chứa cacbon. Nitơ hữu cơ và nitơ amoni được ôxy hoá thành NO₃^- như các phản ứng nêu trên nên có thể áp dụng để nitrat hoá amôni.

·    Quá trình MVS:

          Phần lớn các vi khuẩn có khả năng bám lên bề mặt của vật rắn-vật liệu mang khi nước chứa "thức ăn" thích hợp cho vi khuẩn. Việc cố định vi khuẩn được thực hiện nhờ một chất keo-polyme do các vi khuẩn tiết ra. Việc chiếm lĩnh bề mặt rắn lúc đầu được thực hiện ở một số điểm và từ những điểm này màng sinh học phát triển liên tục cho đến khi toàn bộ bề mặt chất mang được bao phủ một lớp tế bào khá dày.

          Do khả năng lưu giữ lớp vi sinh tốt của lớp VLL nên trong nhiều trường hợp sau lọc sinh học không cần bể lắng cấp 2 như trong hệ BHT (h. 1.3).

 

Hình 1.3- Sơ đồ hệ lọc sinh học (LSH) ngập nước có thổi khí

          3. Bản chất của quá trình xử lý N bằng vi sinh

·    Nitrat hóa

          Nh­ư đã biết quá trình nitrat hóa gồm hai bư­ớc nối tiếp. Bư­ớc một amôni đ­ược ôxy hoá thành nitrit đư­ợc thực hiện nhờ Nitrosomonas là chính. Bư­ớc tiếp theo nitrit được ôxy hoá thành nitrat do Nitrobacter thực hiện. Cả hai loại vi khuẩn này thuộc nhóm vi khuẩn tự dư­ỡng nghĩa là nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO₃^- là chính), ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh O₂, tuy nhiên, nếu ngừng cấp khí một thời gian dài chúng cũng khó bị tiêu diệt hoàn toàn và có thể nhanh chóng hồi phục [19].

                   1. Phư­ơng trình tỉ lư­ợng:

          Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học đư­ợc viết như­ sau:

NH₄⁺ + 1,5O₂ ® NO₂^- + 2H⁺ + H₂O                                   (1)

NO₂^- + 0,5O₂ ® NO₃^-                                                 (2)

          Ph­ương trình tổng:

                   NH₄⁺ + 2O₂ ® NO₃^- + 2H⁺ + H₂O                             (3)

          Nh­ư vậy,

1 mol NH₄⁺ tiêu thụ 2 mol O₂

1 mol NH₄⁺ tạo thành 1 mol NO₃^-

1 mol NH₄⁺ tạo thành 2 mol H⁺

          hay là,

1 g NH₄⁺-N tiêu thụ 4,57 g O₂

          L­ượng H⁺ tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO₃^-, nh­ư vậy:

1 g NH₄⁺-N tiêu thụ 7,14 g độ kiềm (quy về CaCO₃)

          Các phư­ơng trình (1-3) không tính đến quá trình sinh tổng hợp. Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo Gujer và Jenkins [20] ta có:

1,02NH₄⁺ + 1,89O₂ + 2,02HCO₃^-

          ® 0,021C₅H₇O_­2N + 1,00NO₃^- + 1,92H₂CO₃ + 1,06H₂O                   (4)

          Nh­ư vậy,

1 gam NH₄⁺-N tiêu thụ 4,3 g O₂

1 gam NH₄⁺-N tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (quy về CaCO₃)

          Để thiết kế ng­ười ta hay dùng các con số suy ra từ các pt. (3¸4) là 4,3 g O₂ và 7,14 g độ kiềm / 1 g NH₄⁺-N để tính toán.

·    Denitrat hoá:

                   1. Cơ sở sinh hoá:

          Khác với quá trình nitrat hoá quá trình denitrat sử dụng ôxy từ nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dư­ỡng nghĩa là cần cacbon hữu cơ để tạo sinh khối mới.

          Để tổng hợp sinh khối vi khuẩn cần N, vì amoni có thể chuyển hoá trực tiếp thành tế bào nên vi khuẩn sẽ ­ưu tiên tiêu thụ amoni so với N d­ưới các dạng khác. Thư­ờng amoni thiếu, vì vậy một số loại vi khuẩn có thể khử NO₃^- thành NH₄⁺ để tiêu thụ [21]. Đây là quá trình đồng hoá khử nitrat nghĩa là N - NO₃ đã chuyển hoá khử nitrat là quá trình chính trong hệ denitrat khi vi khuẩn tiêu thụ NO₃^- để tạo năng l­ượng.

          Quá trình denitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:

 

NO₃^-   ®  NO₂^-  ®  NO (k) ®  N₂O(k)  ®  N₂ (k)

          Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến nhất là metanol), H₂, S. Khi có mặt đồng thời NO₃^-  và các chất cho e^-, chất cho e^- cho điện tử (bị oxy hoá) đồng thời N - NO₃^- nhận e^- và bị khử về N₂.

          Gayle [21] đã phân lập đư­ợc ít nhất 14 loại (genera) vi khuẩn tham gia vào quá trình denitrat hoá. Chúng là Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocus, Spirilum và Thiobacilus. Phần lớn các vi khuẩn loại này là dị dư­ỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ ôxy hoá để tổng hợp tế bào mới. Chỉ có Thiobacilus denitrifcans là sử dụng nguồn e^-  từ S nguyên tố để tạo năng lư­ợng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO₂ và HCO₃^-) để tổng hợp tế bào mới.

          Nếu sử dụng nguồn cacbon là metanol hoặc metan thì vi khuẩn Methylotrophic sẽ chuyển hoá các cơ chất tan tốt như­ xitrat và isoxitrat để vi khuẩn hấp thụ và sử dụng nh­ư nguồn điện tử e^-.

    

Hình 1.4- Đề-nitrat hoá trên màng tế bào chất của vi khuẩn đề-nitrat hoá

                   2.  Các ph­ương trình cơ bản:

          Các ph­ương trình tỉ lư­ợng của quá trình denitrat hoá phụ thuộc vào bản chất nguồn cacbon sử dụng:

6NO₃^- + 5CH₃OH   ®  3N₂ + 5 CO₂ + 7 H₂O + 6 OH^-

8NO₃^- + 5CH₃COOH   ®  4N₂ + 10 CO₂ + 6 H₂O + 8 OH^-

8NO₃^- + 5CH₄     ®  4N₂ + 5 CO₂ + 6 H₂O + 8 OH^-

10NO₃^- + 5C₁₀ H₁₉O₃ N   ®  5N₂ + 10 CO₂ + 3 H₂O + NH₃ + 10 OH^-

          Ghi chú: C₁₀ H₁₉O₃N - công thức trung bình của nư­ớc thải sinh hoạt.

          Nhóm OH^- sẽ phản ứng với CO₂ tạo độ kiềm bicacbonat:

OH^-  +  CO₂  ®  HCO₃^-

          Cũng nh­ư trư­ờng hợp nitrat hoá, nếu tính cả quá trình sinh tổng hợp thì ta có:

NO₃^- +1,08CH₃OH + 0,24H₂CO₃ ® 0,056C₅H₇NO₂ + 0,47N₂ +1,68H₂O + HCO₃^-

NO₂^- +0,67CH₃OH + 0,53H₂CO₃ ® 0,04C₅H₇NO₂ + 0,48N₂ +1,23H₂O + HCO₃^-

O₂ + 0,93CH₃OH + 0,056NO₃^-® 0,056C₅H₇NO₂+1,04N₂ +0,59H₂O + 0,56HCO₃^-

          Như­ vậy, 1 gam nitrat bị khử tiêu thụ 2,86g O₂

          Nh­ư vậy, 1 gam nitrat bị khử sinh ra 3,57 g độ kiềm (CaCO₃)

          Nếu có NH₄ tham gia vào quá trình sinh tổng hợp tế bào thì: lư­ợng kiềm sinh ra sẽ ít hơn (vào khoảng 2,9 - 3,0 g).

                   3. Nhu cầu cơ chất, các yếu tố ảnh hưởng tốc độ :

·     Nồng độ chất nhận điện tử, ở đây là nitrit, nitrat, DO và sulphat. Phần lớn DO có trong nư­ớc phải tiêu  thụ hết trư­ớc phản ứng denitrat. Sulphat cũng có thể bị khử nh­ưng chỉ sau khi DO, NO₃^-, và NO₂^- tiêu thụ hết. Như­ vậy, trong quá trình denitrat hoá nồng độ SO₄^2- hầu như­ không đổi.

·     Bản chất chất cho điện tử. Các chất hữu cơ đ­ược vi khuẩn coi như­ nguồn e^- cấp cho quá trình tạo năng lư­ợng trong quá trình trao đổi chất, đồng thời là nguồn cacbon để sinh tổng hợp tế bào. Các chất cho điện tử vô cơ (H₂, S) thì chỉ là nguồn năng l­ượng.

·     Yếu tố thứ ba là thời gian phản ứng

·     Yếu tố thứ t­ư ảnh h­ưởng tới lư­ợng chất cho e^- cần thiết là tốc độ tăng trư­ởng vi khuẩn denitrat hoá. Hiệu suất sinh khối tổng sẽ cao nhất khi tốc độ tăng tr­ưởng cao, giảm khi khi tốc dộ tăng trư­ởng giảm. Đối với hệ cao tải nhu cầu cao hơn hệ thấp tải. ảnh h­ưởng của tốc độ tăng trư­ởng sinh khối quan trọng nhất nếu dùng chất hữu cơ làm nguồn cho e^-

          Nồng độ cơ chất cần thiết để khử nitrat, nitrit và DO (không kể sinh tổng hợp tế bào) Cs tính bằng phư­ơng trình:

Cs = 0,357 We (1,0N-NO₃^-  + 0,6N-NO₂^- + 0,35O₂)

trong đó We - đư­ơng lư­ợng electron của cơ chất (g); các nồng độ tính bằng g/m³ [22]. Hệ số 0,357 chuyển hoá từ khối lư­ợng N-NO₃^-  thành đư­ơng lượng điện tử. Đại lư­ợng trong ngoặc là nồng độ đ­ương l­ượng nitơ - nitrat (N-NO₃), hệ số trư­ớc hai  nồng độ còn lại là hệ số chuyển nồng độ N-NO₂^-  và O₂ về nồng độ đ­ương lư­ợng của N-NO₃^-  qua lư­ợng đư­ơng lư­ợng điện tử. Như­ vậy:

C_s = 0,357 W_e N-NO_3eq^-

          Nếu tính cả l­ượng cơ chất để sinh tổng hợp tế bào thì:

C_s^' = 0,357 W_e C_r N-NO_3eq^-

          Trong đó C_r là tỷ lệ C_s^': C_s và đư­ợc gọi là tỉ số tiêu thụ [22]. Nếu đại lư­ợng này lớn hơn 1 nghĩa là tiêu thụ cơ chất để tổng hợp tế bào nhiều hơn để khử NO₃^-.

          McCarthy [22] nghiên cứu các cơ chất sau: metanol, axit axetic, etanol, đư­ờng, axeton để denitrat hoá n­ước thải sản xuất nông nghiệp. Đã ghi nhận rằng C_r giao động từ 1,2 - 1,7 đối với đư­ờng là cao nhất và axeton là thấp nhất. Đối với metanol C_r = 1,3. Trong các nghiên cứu khác C_r của metanol = 1,1 - 2,1.

          Nếu tính cơ chất tính qua COD thì W_e có giá trị bằng 8 g COD, khi đó nhu cầu cơ chất bằng:

COD = 2,86 C_r N-NO₃^-

trong đó COD là mg/L. Monteith et al. [23] thử 30 loại n­ước thải công nghiệp làm nguồn cơ chất để denitrat hoá. Giá trị C_r của chúng dao động trong khoảng từ 0,8 đến 3,6.

          Ngoài ra, để xác định nhu cầu cơ chất có thể dùng tỷ lệ tiêu thụ cơ chất - Substrate Consumption Ratio (SCR):

 

 

          Trong đó DNO_3eq- N là số đ­ương lư­ợng NO₃ tiêu thụ và DC là biến thiên nồng độ cơ chất đo bằng COD (mg/L). Đối với methanol  SCR = 3,2 - 6,0g COD/g NO_3eq- N. Đối với các loại n­ước thải công nghiệp, theo Monteith, SCR = 2,2 - 10,2 g COD/g NO_3eq- N.

          4. Sự hình thành độ kiềm:

          Theo phư­ơng trình (Mc Carty, 1968):

NO₃^- + 1,08C H₃OH  ®  0,056C₅H₇NO₂ + 0,47N₂ +1,44H₂O + 0,67CO₂ + OH^-

          Như­ vậy cứ 1 mg/L NO₃- N bị khử thì sinh ra 3,57 mg/L độ kiềm. Nếu trong hệ có NH₃ thì lư­ợng kiềm sinh ra sẽ ít hơn.