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- ® 0,021C5H7O2N + 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 SO42- 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: Cs = 0,357 We N-NO3eq- Nếu tính cả lượng cơ chất để sinh tổng hợp tế bào thì: Cs' = 0,357 We Cr N-NO3eq- Trong đó Cr là tỷ lệ Cs': Cs 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 Cr giao động từ 1,2 - 1,7 đối với đường là cao nhất và axeton là thấp nhất. Đối với metanol Cr = 1,3. Trong các nghiên cứu khác Cr của metanol = 1,1 - 2,1. Nếu tính cơ chất tính qua COD thì We có giá trị bằng 8 g COD, khi đó nhu cầu cơ chất bằng: COD = 2,86 Cr 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 Cr 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 DNO3eq- 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 NO3eq- N. Đối với các loại nước thải công nghiệp, theo Monteith, SCR = 2,2 - 10,2 g COD/g NO3eq- 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.
|
Tài liệu >