Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học là giải pháp hiệu quả giảm được chi phí vận hành, không phát sinh chất ô nhiễm thứ cấp và hướng ưu tiện cho công nghệ xử lý nước thải hiện nay.

Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học bao gồm hai quá trình:

QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA

Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amon đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat trong điều kiện thích ứng (có oxy và nhiệt độ trên 4^oC).

Dưới tác dụng của hai loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, quá trình nitrate hóa xảy ra theo các phương trình phản ứng sau đây:

NH₃ + 3/2O₂ à NO₂^– + H⁺ + H₂O + sinh khối           : Nitrosomonas

NO₂^– + ½O₂ à NO₃^– + sinh khối                                : Nitrobacter

Vi khuẩn Nitrosomonas

Vi khuẩn Nitrobacter

Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa:

Nhiệt độ;

• pH;
• Nồng độ oxy hòa tan (DO);
• NH₄⁺ và NO₂^–
• BOD₅/TKN.

Quá trình nitrate hóa có thể thực hiện trong:

• Hệ thống xử lý hiếu khí với vi sinh vật tăng trưởng lơ lửng;
• Hệ thống xử lý hiếu khí với vi sinh vật tăng trưởng dính bám.

Trong hệ thống Hệ thống xử lý hiếu khí với vi sinh vật tăng trưởng lơ lửng:

NH₄⁺ + HCO₃^– + 4CO₂ + H₂O à C₅H₇O₂N + 5O₂

Trong hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí quá trình nitrate hóa bị hạn chế vì mật độ vi sinh vật nitrate hóa thấp hơn nhiều so với nhóm vi sinh vật hetero-trophs. Hay nói cách khác, quá trình nirate hóa tách riêng với quá trình khử BOD₅ sẽ cho hiệu quả cao hơn.

55NH₄⁺ + 76O₂ + 109HCO^3- → C₅H₇O₂N + 54NO₂^– + 57H₂O + 104 H₂CO₃                       (1)

400NO₂^– + NH₄⁺ + 4H₂CO₃ + HCO₃^– + 195O₂ → C₅H₇O₂N + 3H₂O ₊ 400NO₃^–                        (2)

——————————————————————————————————–

NH₄⁺ + 1,855O₂ + 1,979HCO₃^– → 0,021C₅H₇O₂N + 0,979NO^3– + 1,041H₂O + 1,874H₂CO₃

Từ phương trình trên có thể xác định cần khoảng 4,23 mg O₂ để oxy hóa 1 mg N-NH₄⁺

Để quá trình nitrate hóa xảy ra hiệu quả cần:

• DO > 2 mg/L;
• pH ~ 7,5-8,6
• Duy trì độ kiềm (8,62 mg HCO₃^–/mg N-NH₄⁺)

Quá trình Nitrate hóa

QUÁ TRÌNH KHỬ NITRATE

Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat). Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ. Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.

–   NO₃^– → NO₂^– → NO →  N₂O → N₂

–   Quá trình thiếu khí

–   pH ~ 7-8

–   Phải bổ sung đủ nguồn carbon:

+ Sẵn có trong nước thải;

+ Bổ sung ngoài

Bảng: Nguồn cung cấp carbon trong quá trình khử nitrate

–   Tốc độ khử nitrate:

U’_DN = U_DN x 1,09^(T-20)(1-DO)

+  U’_DN = Tốc độ khử nitrate

+  U_DN   = Tốc độ khử nitrate đặc biệt (lb NO₃^–/lb VSS.d)

+  T        = Nhiệt độ (^oC)

+  DO    = Nồng độ oxy hòa tan trong nước thải (mg/L)

–    Quá trình khử nitrate có thể thực hiện trong hệ thống vi sinh vật tăng trưởng lơ lởng hoặc dính bám.

–    Hai hệ enzyme tham gia vào quá trình khử nitrate:

+   Đồng hóa (assimilatory): NO₃^– à NH₃, tổng hợp tế bào, khi N-NO₃^– là dạng nitơ duy nhất tồn tại trong môi trường

+  Dị hóa (dissimilatory) à quá trình khử nitrate trong nước thải.

+    Quá trình đồng hóa:

3NO₃^– + 14CH₃OH + CO₂ + 3H⁺ → 3C₅H₇O₂N + H₂O

+     Quá trình dị hóa:

Bước 1: 6NO₃^– + 2CH₃OH → 6NO₂^– + 2CO₂ + 4H₂O

Bước 2: 2NO₂^– + 3CH₃OH → 3N₂ + 3CO₂ + 3H₂O + 6OH^–

————————————————————

6NO₃^– + 5CH₃OH → 5CO₂ + 3N₂ + 7H₂O + 6OH^–

+     Tổng quá trình khử nitrate:

NO₃^– + 1,08CH₃OH + H⁺ → 0,065C₅H₇O₂N + 0,47N₂ + 0,76CO₂ + 2,44H₂O

Quá trình khử Nitrate

–  Nhu cầu methanol: Cm = 2,47N₀ + 1,53N₁ + 0,87D₀

+  Cm = nồng độ methanol yêu cầu (mg/L)

+  N­₀ = nồng độ N-NO₃^– ban đầu (mg/L)

+   N₁ = nồng độ N-NO₂^– ban đầu (mg/L)

+   D₀ = Nồng độ oxy hòa tan ban đầu (mg/L)

–   Thông số động học quá trình khử nitrate

KẾT HỢP QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA VÀ KHỬ NITRATE

Hình: Hệ thống kết hợp nitrate hóa và khử nitrate 4 giai đoạn

Ưu Điểm

–    Giảm thể tích khí cần cung cấp cho quá trình nitrate hóa và khử BOD₅;

–    Không cần bổ sung nguồn carbon cho quá trình khử nitrate;

–    Giảm công trình lắng cho riêng mỗi quá trình;

–    Có khả năng khử 60-80% tổng lượng nitơ trong nước thải.

Tỷ lệ tuần hoàn

        (NH₄⁺-N)₀ – (NH₄⁺-N)_e

R = —————————–      – 1

                (NO₃^–-N)_e

–   R                                          = tỷ lệ tuần hoàn (h² nước và bùn + bùn tuần hoàn)

–   (NH₄⁺-N)₀ – (NH₄⁺-N)_e         = nồng độ ammonia trong NT trước và sau xử lý (mg/L)

–   (NO₃^–-N)_e                            = nồng độ nitrate trong NT sau xử lý (mg/L)

Thời gian lưu bùn đối với quá trình nitrate hóa trong hệ thống kết hợp

           q_c                     : Thời gian lưu bùn đối với qt nitrate hóa trong hệ thống cổ điển

q_c^’ = ———

       Vhiếu _khí               : tỷ lệ phần thể tích hiếu khí

Nồng độ sinh khối trong thiết bị:                    Thời gian lưu nước vùng hiếu khí:

         q_c. Y.(S₀ – S)                                                             q_c^’. Y_h. (S₀ – S)

X = —————–                                                        q_a = ———————–

         q (1 + kdq_c)                                                                  Xa [1 + k_df_VSSq_c’]

q_a         = tổng thời gian lưu nước trong vùng hiếu khí (ngày);

Y_h        = hệ số thu hoạch đối với vi sinh vật dị dưỡng (mgVSS/mgBOD₅) (thường= 0,55)

S₀-S     = BOD bị khử trong hệ thống (mg/l)

K_d        = hệ số tốc độ phân hủy nội bào (ngày^-1)

X_a        = MLVSS (mg/L)

f_VSS      = tỷ lệ phân hủy MLVSS trong điều kiện hiếu khí

                    f_VSS^’

f_VSS = ———————–

           1 + (1- f_VSS^’)kdq_c^’

f_VSS^’     = tỷ lệ phân hủy VSS, dao động trong khoảng 0,75  – 0,80

Thời gian lưu nước vùng thiếu khí được ước tính bằng: q_DN = (1 – Vhiếu _khí)q_a

Thời gian lưu nước để thực hiện quá trình khử nitrate được tính theo công thức sau:

            Nkhử _nitrate           : lượng nitrate bị khử (mg/L)

q_DN^’ = ———–

             U_DN X_a                    : U_DN = tốc độ khử nitrate (ngày^-1)

Nếu q_DN ⁼ q_DN^’_→ hoàn tất quá trình tính toán.

Nếu q_DN ¹ q_DN^{’ _→} giả sử lại tỷ lệ thể tích vùng hiếu khí V_{hiếu khí} và tính lại.