Khóa luận Tìm hiểu một vài quá trình sinh học loại bỏ Nitơ trong nước thải

n khác sẽ thông qua quá trình khử amin tạo thành NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác. Sự khử amin có thể xảy ra theo các phương thức sau: R – CH(NH2)COOH à R – CHCOOH + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O à R – CH2OH – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH + ½ O2 à R – CO – COOH + NH3 R – CH(NH2)COOH + O2 à R – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O à R – CO – COOH +NH3 + 2H Một số axit amin bị deamin hóa bởi VSV nhờ enzym deaminase, một trong những sản phẩm cuối cùng là amon. Nhiều vi sinh vật có khả năng amon hóa protein. Trong nhóm vi khuẩn có Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, Bacillus subtilis, Pseudomona fluorescens, Clostridium sporogenes... Xạ khuẩn có Streptomtces rimosus, Stretomyces griseus.. 3.2.2. Quá trình nitrate hóa Quá trình nitrate hoá là quá trình oxy hoá sinh hoá Nitơ các muối amon, đầu tiên thành nitrite và sau đó thành nitrate dưới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện thích ứng. Vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa gồm hai nhóm: Vi khuẩn nitrite oxy hóa amoniac thành nitrite (giai đoạn 1). Vi khuẩn nitrate oxy hóa nitrite thành nitrate (giai đoạn 2). Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau: 2 NH3 + 3 O2 2 HNO2 + 2 H2O (giai đoạn 1) 2 HNO2 + O2 2 HNO3 (giai đoạn 2) Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp ba lần so với giai đoạn thứ hai. Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg Nitơ của muối amon ở giai đoạn nitrite là 343 mg O2. Sự có mặt của nitrate trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ. Quá trình nitrite hóa còn có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải. Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ như đã trình bày ở trên. Nhưng quan trọng hơn quá trình nitrate hóa còn tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa Nitơ khi lượng oxy tự do (oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn. 3.2.2.1. Giai đoạn nitrite hóa NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H+ + Năng lượng Là giai đoạn oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrite hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng. Năng lượng để đồng hóa CO2 tạo ra carbon hữu cơ. Enzym xúc tác cho quá trình này là các enzym của quá trình hô hấp hiếu khí. Nhóm vi sinh vật nitrite hóa bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường có chất hữu cơ. 3.2.2.2. Giai đoạn nitrate hóa NO2- + ½ O2 NO3- + năng lượng NO2- tạo ra tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn nitrate hóa. Đây cũng là các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxy hóa nitrite để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa. Nhóm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, còn có một số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrat hóa. Đó là loài vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces... 3.2.3. Quá trình phản nitrate Quá trình phản nitrat hay còn gọi là quá trình khử nitrate là quá trình tách oxy khỏi nitrite, nitrate dưới tác dụng của các vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn khử nitrate). Oxy được tách ra từ nitrite và nitrate được dùng lại để oxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình này có kèm theo hiện tượng Nitơ tự do được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển. Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifier. Phần lớn loại vi sinh vật trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrate, nitrite làm chất oxy hóa để sản xuất ra năng lượng. Quá trình khử nitrate thường được nhận dạng là khử nitrate yếm khí, tuy nhiên diễn biến quá trình sinh hóa không phải là quá trình hô hấp yếm khí mà nó giống quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrate, nitrite làm chất oxy hóa. Vì vậy thực chất quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu khí (anoxic). NO3- NO2- NO N2O N2 Để khử nitrate, vi sinh vật cần có chất khử, chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc chất vô cơ như H2, S, Fe2+. Phần lớn vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon để xây dựng tế bào (ngoài phần sử dụng cho phản ứng nitrate). Quá trình khử nitrate xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa trị của nguyên tố Nitơ từ +5, về +3, +2, +1 và 0: NO3- NO2- NO NH2OH NH3 Quá trình amon hóa nitrate do một số vi khuẩn dị dưỡng tiến hành trong điều kiện hiếu khí có chức năng cung cấp NH4+ cho tế bào vi khuẩn để tổng hợp axit amin. Tuy nhiên quá trình amon hóa nitrate không có ý nghĩa về diện môi trường, do hàm lượng N trong nước hầu như không đổi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. NO3- NO2- NO N2O N2 Phản ứng khử NO3- N2 chỉ xảy ra trong điều kiện thiếu khí. Khi đó, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi hô hấp thiếu khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào. Đây là quá trình được ứng dụng rộng rãi hiện nay để loại bỏ Nitơ trong nước và nước thải. Song song với quá trình khử nitrate, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng phản ứng cần thiết cho phản ứng hóa học. Các chất hữu cơ mà vi sinh vật Denitrifier có thể sử dụng khá đa dạng: từ nguồn nước thải, các hợp chất hóa học xác định được đưa từ ngoài hoặc các chất hữu cơ hình thành từ phân hủy nội sinh. 3.2.4. Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox) Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa N mới chưa từng được biết đến trước đó, về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đã được phát hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobic Ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox) trong đó ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kỵ khí, không cần sự cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành phân tử. NH4+ + NO2- N2 + 2H2O (A-a) NH4+ + ½ O2 NO2- + 2H+ + H2O (A-b) Theo kết quả nghiên cứu, sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa amoni bởi nitrate, nitrite và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử. Trên cơ sở phát hiện vi khuẩn và phản ứng Anammox, chu trình chuyển hóa Nitơ tự nhiên có trong sách giáo khoa từ lâu đã được bổ sung một mắt xích mới. Các nghiên cứu từ cuối thập niên 1990 đã làm rõ nhiều khía cạnh của Anammox về mặt hóa sinh học, vi sinh học, sinh học phân tử,… N2 NO2 NH4+ Khử nitrate Cố định Nitơ NO3 Đồng hóa Thối rửa N – hữu cơ Anammox Nitrate hóa Hình 3.2. Chu trình Nitơ có thêm mắt xích Anammox 3.2.4.1. Hóa sinh học của Anammox Phản ứng Anammox đã được xác nhận là sự oxy hóa amoni bởi nitrite, phản ứng hóa học đơn giản với tỷ lệ mol NH4+ : NO2- = 1:1 như ở phương trình (A-b). Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR), có tính đến sự tăng trưởng sinh khối, phản ứng Anammox đã được xác định với các hệ số tỷ lượng như sau: NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13 H+ 1.02 N2 + 0.26 NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O (A-c) Sự tạo thành lượng nhỏ từ nitrate từ nitrite được giả thiết là để sinh ra các đương lượng khử khi đồng hóa CO2. Cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng Anammox đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn. 3.2.4.2. Vi sinh học của Anammox Đến nay, đã có 3 chi vi khuẩn Anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn Anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sau của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetles. Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương pháp mẻ liên tục (SBR). Kết quả cho thấy vi khuẩn đã được đặt tên là Candidatus Brocadia anammoxidans. Năm 2000, 2001, 2002 trên cơ sở nghiên cứu, các vi khuẩn Anammox phát hiện được ở hệ thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức), sau Thụy Sĩ và Bỉ, được xác định là mới (độ tương tự dưới 90% so với Brocadia anammoxidans) và được đặc tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Các loài Anammox khác đã được phát hiện từ đĩa quay sinh học nitrate hóa tại một nhà máy xử lý nước thải ở Pitsea (Anh) và đã được đặt tên là Candidatus “Scalindua brodae”, Candidatus “Scalindua wagneri”. Một số đặc điểm sinh lý của vi khuẩn Anammox bao gồm nó có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 20 – 430C (tối ưu ở 400C), pH 6.6 – 8.3 (tối ưu ở pH 8.0). Ở điều kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 mol NH4+-N/g protein/min. Tuy nhiên, vi khuẩn Anammox sinh trưởng rất chậm (thời gian thế hệ hơn 10 ngày). 3.2.5. Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật nước Thực vật nuôi trồng trong hệ ngập nước có tác dụng xử lý nước thải và là nguồn sinh khối có khả năng tận dụng cho một số mục đích khác nhau. Hệ ngập nước có thể phân thành các dạng chính là: nguồn nước nuôi trồng thực vật nổi và thực vật chìm trong nước, loại thực vật nửa nổi nửa chìm (rể bám trong thân và lá nằm trong nước và không khí). Tác dụng xử lý dinh dưỡng của các vùng ngập nước là: hấp thu do thủy thực vật, hoạt động vi sinh vật, một số phản ứng hóa học. Các cơ chế trên xử lý dinh dưỡng từ nước thải trên tác động tương tác lẫn nhau và xảy ra đồng thời trong hệ nhưng với tốc độ khá mạnh theo chu kỳ thời gian. Thủy thực vật sử dụng cần đáp ứng được tiêu chí sau để lựa chọn: Hiệu suất sinh khối (sản lượng lớn) Khả năng tích lũy dinh dưỡng cao Có khả năng vận chuyển oxy từ không khí vào đất và nước. Phát triển tốt trong các điều kiện thời tiết. Ngoài khả năng hấp thu dinh dưỡng cao từ nước thải, các loại thủy thực vật còn đóng vai trò chất mang của vi sinh vật và nhờ tương tác giữa thực vật với vi sinh để tăng cường hiệu quả xử lý các chất gây ô nhiễm. Mức độ tích lũy dinh dưỡng trong tế bào thực vật được quyết định bởi tốc độ tăng trưởng sinh khối và thành phần dinh dưỡng trong tế bào thực vật. Bảng 3.1 ghi sản lượng của một số loại thực vật, hàm lượng protein thô trong sản phẩm và sản phẩm thu hoạch tính theo protein. Bảng 3.1. Sản lượng và thành phần đạm của một số thực vật Loại cây Sản lượng (t/ha/năm) Protein thô (%) Sản lượng protein (kg/ha/năm) Bèo tấm 17,60 37 6510 Đậu tương 1,59 41,7 660 Hạt bông 0,76 24,9 190 Lạc 3,12 23,6 380 – 740 Cỏ Alfalfa 4,37 – 15,69 15,9 – 17,0 690 - 2670 (Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007) Đặc trưng tích lũy protein cao của bèo tấm chứng tỏ tiềm năng tách loại dinh dưỡng từ nước thải của loại thực vật này. Khả năng hấp thu Nitơ của một số loài thực vật nước ở nhiều địa phương khác nhau được ghi trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Khả năng hấp thu Nitơ của một số loài thủy thực vật nổi trong mùa hè Địa phương Loại thực vật Tốc độ hấp thu của Nitơ (g. m2/ngày) Florida USA Bèo tây 1,30 Florida USA Rau diếp nước 0,99 Florida USA Đồng tiền nước 0,37 USA Bèo tấm 1,67 Ấn Độ Bèo tấm 0,5 Bangladesh Bèo tấm 0,26 (Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007) Thành phần của nước thải cũng ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và hàm lượng protein trong sản phẩm. Bảng 3.3. Sản lượng bèo tấm sinh trưởng trong các loại nước thải Loài Môi trường nước Sản lượng (tấn khô/ha/năm) Protein thô (%) S. polyrrhiza Nước thải sinh hoạt 17 – 32 _ L. minor Nước sau xử lý yếm khí 10,7 28,9 L. gibba Nước cống sau tiền xử lý 55 30 L. gibba Nước thải sinh hoạt 10,9 – 54,8 30 – 40 S. polyrrhiza Nước thải từ bể phốt 9,2 – 21,4 24 – 28 L. perpusilla W. arrhiza Lemma spp Nước thải sinh hoạt 27 37 S. polyrrhiza Nước thải sinh hoạt 17,6 – 31,5 30 (Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007) Thực vật nữa chìm nữa nổi mọc khá phổ biến tại các dẻo đất dọc bờ ao, hồ, có nhiều cây thuộc loại lưu niên, tốc độ tăng trưởng sinh khối và tích lũy dinh dưỡng cao. Loại thực vật nữa chìm nữa nổi thường sử dụng để xử lý gồm: cỏ đuôi mèo, cây sậy và cây cỏ nên. Các loại thực vật trên phân bố rộng ở các vùng khí hậu. Về mùa đông phần thân trên thường bị chết, phần thân gốc và rễ tích lũy năng lượng để tiếp tục phát triển khi đến mùa xuân vào. Thực vật nữa chìm nữa nổi có khả năng sinh trưởng và phát triển trong nhiều loại nước thải. Đặc trưng của nước thải ảnh hưởng đến thành phần dinh dưỡng trong tế bào thực vật. Tốc độ phát triển của cây trồng ngoài điều kiện dinh dưỡng còn phụ thuộc vào nguồn carbon từ khí carbonic, khả năng quang hợp của chúng và điều kiện nhiệt độ. Nhiều loại cây trồng chỉ sinh trưởng và phát triển ở mùa hè, thậm chí lụi tàn về mùa đông, sự sống chỉ còn tồn tại trong bộ rễ để rồi phát triển trở lại khi có điều kiện đáp ứng. Xử lý chất hữu cơ: chất hữu cơ được chuyển hóa thông qua các quá trình yếm khí, thiếu khí và hiếu khí. Vai trò của thủy thực vật là vật mang cho các loài vi sinh vật, chúng phân hủy chất hữu cơ theo các cơ chế tương ứng với điều kiện môi trường. Do được cung cấp oxy từ thực vật, vi sinh vật hiếu khí có điều kiện phát triển tốt hơn so với các vùng thiếu oxy. Xử lý hợp chất nitơ: ngoài khả năng hấp thu hợp chất Nitơ của thực vật, các quá trình có liên quan đến tách loại hợp chất Nitơ gồm: nitrate hóa, khử nitrate và bay hơi amoniac vào khí quyển. Nitrat hóa xảy ra trong ao hồ nuôi thực vật, phụ thuộc vào mật độ của chúng, các điều kiện khác (oxy, độ kiềm) là yếu tố ít bị hạn chế. Nhìn chung, mật độ vi sinh tự dưỡng trong điều kiện bình thường không cao. Quá trình khử nitrat xảy ra chỉ trong điều kiện thiếu oxy. Cũng trong điều kiện thiếu oxy, quá trình lên men yếm khí là nguồn cạnh tranh chất hữu cơ với các quá trình khử nitrate. CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT CHỨA NITƠ TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI 4.1. Một số ứng dụng của quá trình nitrat hóa để xử lý Nitơ trong nước và nước thải Phần lớn các nguồn nước thải đều chứa đồng thời hợp chất hữu cơ và hợp chất Nitơ. Khi xử lý hiếu khí (oxy hóa) xảy ra đồng thời hai quá trình oxy hóa độc lập của vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng với các điều kiện khác nhau nhưng đều có nhu cầu sử dụng oxy cho các phản ứng sinh hóa, ngoài phần nhu cầu dinh dưỡng khá giống nhau của hai loại vi sinh trên thì dạng carbon sử dụng làm cơ chất là khác nhau. Ngoài điều kiện phát triển khác nhau thì tốc độ hay hiệu quả xử lý của hai loại vi sinh trên cũng rất khác nhau. Bảng 4.1. Đặc trưng cơ bản của quá trình xử lý BOD và amoni Đặc trưng Vi sinh dị dưỡng Vi sinh tự dưỡng Tiêu thụ oxy (g/gBOD hoặc NH3-N) 1,42 4,57 Tiêu thụ kiềm (g/gNH3-N) - 7,14 pH tối ưu 6 – 9 7,6 – 8,6 Hiệu suất sinh khối (g/g) 0,6 – 0,7 0,1 – 0,15 Hệ số bán bão hòa oxy (mgO2/l) 0,5 – 1,0 0,15 – 2,0 Hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k 5 3 Hệ số phân hủy nội sinh 0,06 0,05 Thời gian lưu tế bào Ngắn Dài (Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007) Ở trạng thái hoạt động ổn định tỉ lệ vi sinh tự dưỡng và dị dưỡng phụ thuộc vào tỉ lệ BOD/NH4+-N. Nếu tỉ lệ BOD/NH4+-N >= 20 thì hàm lượng Nitơ trong nước thải chỉ đủ hoặc thiếu cho quá trình xử lý của vi sinh dị dưỡng vì vậy không cần quan tâm đến quá trình loại bỏ Nitơ. Phần lớn hợp chất Nitơ dư so với nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật cần được tách loại mà giai đoạn đầu tiên là oxy hóa thành sản phẩm nitrate (nitrate hóa). Oxy hóa hợp chất Nitơ có thể tiến hành theo các phương thức: tiến hành đồng thời hoặc riêng rẽ với oxy hóa BOD, thực hiện theo kỹ thuật sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng bám dính hoặc phối hợp cả hai phương án trên. Trong thành phần sinh khối của tất cả các quá trình hiếu khí đều có mặt của loại vi sinh vật Nitrifer với tỉ lệ cao thấp khác nhau phụ thuộc vào tỉ lệ BOD/N tổng của nước thải. Thực tế thấy rằng, khi tỉ lệ BOD/N tổng > 5 thì có thể oxy hóa đồng thời cả BOD và amoni. Đây cũng là trường hợp thường gặp của các loại nước thải giàu Nitơ như nước thải sinh hoạt, nước thải chế biến thủy hải sản….Sơ đồ oxy hóa đồng thời BOD và Amoni theo nguyên tắc chung như sau: Lắng sơ cấp Hiếu khí oxy hóa BOD, NH3 Lắng thứ cấp Thải Hình 4.1. Sơ đồ oxy hóa đồng thời BOD và Amoni 4.1.1. Bể Aerotank kết hợp Nitrat hóa Các kỹ thuật phản ứng theo phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng có thể sử dụng để oxy hóa amoni gồm: dòng lý tưởng, trộn đều các biến hình công nghệ của kỹ thuật mương oxy hóa. Hệ thống nitrate hóa phải được thiết kế sao cho thời gian lưu đủ để các vi khuẩn nitrate hóa có thể tăng trưởng. Các vi khuẩn dị dưỡng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế cung cấp oxy các vi khuẩn nitrate hóa, đặc biệt là trong hệ thống tăng trưởng bám dính. Sau khi cạnh tranh với các vi khuẩn dị dưỡng, tốc độ nitrate hóa sẽ bị giới hạn do nồng độ NH4+ sẵn có trong hệ thống. Nhiệt độ, pH và các chất ức chế hóa học cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình. Các yếu tố ảnh hưởng tới oxy hóa amoni trong kỹ thuật một giai đoạn bao gồm: nồng độ amoni, nitrite, tỉ lệ BOD/N tổng, nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, pH và các chất ức chế. Nồng độ amoni và nitrite: có tác động trực tiếp đến tốc độ phát triển của vi sinh Nitrifier, mức độ tác động của chúng được đánh giá thông qua phương trình động học Monod và độc tính đối với si sinh vật. Tốc độ oxy hóa nitrate thành nitrite nhanh hơn tốc độ oxy hóa amoni thành nitrite (trong phần lớn trường hợp) nên việc tính toán mô hình xử lý cần tập trung vào giai đoạn oxy hóa amoni thành nitrite là giai đoạn quyết định. Tỷ lệ BOD/N tổng: quyết định tỉ lệ của vi sinh Nitrifier trong tổng sinh khối, đóng vai trò quyết định đối với oxy hóa amoni. Mật độ của chúng giảm khi tỉ lệ BOD/N tổng tăng. Nồng độ oxy hòa tan: Tác động đến vi sinh Nitrifier khác về mức độ so với vi sinh tự dưỡng. Nồng độ oxy cần thiết để oxy hóa amoni cần cao hơn. Chọn nồng độ oxy hòa tan thấp nhất là 2mg/l nhằm tránh quá trình nitrate hóa bị ức chế bởi thiếu oxy. Ảnh hưởng của nhiệt độ: nhiệt độ ảnh hưởng quan trọng trong sự nitrate hóa, nhiệt độ thấp sẽ đòi hỏi có thời gian lưu trong hệ thống dài hơn đối với tác nhân tăng trưởng lơ lửng và tốc độ nạp nước thấp hơn trong tác nhân bám dính, do tốc độ tăng trưởng chậm hơn của các vi khuẩn nitrate hóa. Ảnh hưởng của pH: khoảng pH thuận lợi nhất cho sự nitrate hóa là từ 6,5 – 8. Do sự nitrate hóa tiêu thụ khoảng 7,1 mg kiềm (CaCO3) cho mỗi mg NH4+ bị oxy hóa, vì vậy khi độ kiềm trong nước thải có nguy cơ xuống thấp thì sự Nitrate hóa sẽ làm pH cũng giảm xuống. Ảnh hưởng của chất ức chế: các vi khuẩn nitrate hóa thường nhạy cảm hơn các vi khuẩn dị dưỡng và dễ bị ảnh hưởng bởi các thay đổi khác nhau của các chất ức chế hữu cơ và vô cơ. 4.1.2. Bể lọc sinh học kết hợp Nitrate hóa Bể lọc nhỏ giọt bao gồm cả oxy hóa amoni cũng dựa trên cơ sở giống như trường hợp xử lý BOD. Điểm khác biệt quan trọng nhất là mức độ chịu tải thấp hơn nhiều. Mức độ chịu tải chất hữu cơ thấp đồng nghĩa với thời gian lưu tế bào cao. Để đạt được hiệu xuất oxy hóa amoni 75 – 80% tải lượng hữu cơ có thể áp dụng là: Sử dụng vật liệu đá sỏi: 0,8 – 1,3 kgBOD/m3.ngày Sử dụng vật liệu nhựa: 1,5 – 2,3 kgBOD/m3.ngày Muốn tăng hiệu quả nitrate hóa lên 85 – 90%, tải lượng hữu cơ cần phải được giảm tiếp tới 0,4 – 0,8 cho trường hợp đầu và 0,8 – 1,5kg BOD cho trường hợp sau. Thời gian lưu tế tào tương ứng đạt 75 – 85% hiệu suất là 10 ngày và 20 ngày để đạt hiệu quả oxy hóa 85 – 95%. Mức tải lực đối với kỹ thuật lọc nhỏ giọt phụ thuộc vào vật liệu mang cũng thấp hơn so với oxy hóa BOD. Tải lượng thủy lực trên nhằm duy trì cho tầng lọc đủ ướt và thực hiện thông qua tăng cường vòng quay nước đã qua xử lý. Chiều cao của lớp lọc đá sỏi nằm trong khoảng 1 – 2m và không vượt quá 3m vì sẽ hạn chế quá trình lưu thông khí trong tầng vật liệu và tránh mức chịu trọng tải cao của tầng vật liệu. Vật liệu nhựa nhẹ hơn, có diện tích lớn hơn nên có thể sử dụng với lớp lọc cao hơn 12m do tốn năng lượng bơm nước lên độ cao. Sử dụng tầng lọc có độ cao lớn sẽ tiết kiệm được diện tích đất sử dụng và tiết kiệm được năng lượng bơm nước quay vòng nhưng có thể phải cấp khí thêm cho bộ lọc. Bộ lọc nhỏ giọt sử dụng vào mục đích oxy hóa amoni thường sử dụng vật liệu nhựa có trang thái máy thổi khí tăng cường. 4.1.3. Đĩa quay sinh học kết hợp Nitrat hóa Đĩa quay sinh học là thiết bị được gắn kết nhiều đĩa hình tròn trên một trục quay. Thiết bị quay sinh học được đặt chìm trong nước (40% tổng diện tích bề mặt) và quay với tốc độ chậm. Do chuyển động quay đĩa chứa màng vi sinh được tiếp xúc với cơ chất, khi chuyển động trong nước và tiếp xúc với oxy khí quyển khi quay trong không khí để các phản ứng hiếu khí xảy ra. Đĩa quay sinh học được sử dụng để xử lý chất hữu cơ hoặc xử lý hợp chất Nitơ. Hiệu quả xử lý của thiêt bị được xác định bởi các yếu tố: Tốc độ quay. Thời gian lưu thủy lực. Mắc nối tiếp thiết bị. Nhiệt độ. Tỉ lệ phần diện tích nằm trong nước. Lắn sơ cấp đĩa quay Lắng thứ cấp cấp Thải Bùn Hình 4.2. Hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật điã quay sinh học Cần xác định số khoang xử lý là yếu tố không thể thiếu của hệ thống xử lý. Các khoang có thể bố trí riêng biệt hoặc bố trí trong một bể lớn được ngăn cách theo kiểu chảy dích dắc. Trong hệ xử lý đĩa quay sinh học oxy hóa amoni xảy ra khi BOD đã được oxy hóa ở các khoang trước đó. Hiện tượng xảy ra như trên là do vi sinh vật tự dưỡng chỉ phát triển ở mức đáng kể khi nồng độ BOD trong nước thấp. Thiết kế hệ xử lý đĩa quay sinh học một giai đoạn với tiêu chuẩn thải BOD < 15mg/l cần ít nhất là bốn khoang, trong từng khoang có thể gắn thêm nhiều trục quay phụ thuộc vào tải lượng chính tại khỏang đó. 4.2. Một số ứng dụng của quá trình khử nitrate để xử lý Nitơ trong nước và nước thải 4.2.1. Bể anoxic Là một hệ xử lý nitrate với vi sinh vật sinh trưởng lơ lửng như hệ xử lý bùn hoạt tính. Điểm khác so với hệ bùn hoạt tính là có bổ sung thêm nguồn carbon, khối phản ứng được khuấy trộn cơ học và một khoang nhỏ được sục khí trước bể lắng thứ cấp với thời gian thủy lực là 5 – 10 phút. Bể sục khí có tác dụng tách khí Nitơ hình thành từ phản ứng còn tồn tại trong hỗn hợp, tránh hiện tượng nổi bùn trong bể lắng thứ cấp. Các dạng kỹ thuật phản ứng dòng đẩy lý tưởng và khuấy trộn đều có thể sử dụng để thực hiện quá trình khử nitrate. Khi sử dụng kỹ thuật khuấy trộn đều, bể khử nitrate có thể chia làm nhiều ngăn – mô phỏng phương thức dòng lý tưởng, để tận dụng ưu điểm của phương thức đó. Tốc độ khuấy trộn được duy trì sao cho lượng sinh khối tồn tại ở trạng thái lơ lửng, không bị lắng, tiếp xúc tốt giữa sinh khối với các cấu tử tham gia phản ứng và hạn chế sự thậm nhập của oxy từ khí quyển vào khối phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate Ảnh hưởng của oxy: nồng độ oxy có tác động trực tiếp là oxy ở bên trong trong màng vi sinh chứ không phải là oxy trong chất lỏng có thể đo được. Ảnh hưởng của pH: cũng giống các quá trình xử lý sinh học khác, khoảng pH tối ưu cho quá trình khử nitrate nằm trong một khoảng khá rộng, từ 7 – 9 , ngoài vùng tối ưu tốc độ khử nitrate giảm mạnh. Tại pH ~ 10 và pH ~ 6 tốc độ khử nitrate chỉ còn lại vài phần trăm so với vùng tối ưu. Vi sinh Denitrifier có khả năng thích nghi môi trường pH với nhịp độ chậm. Trong vùng pH thấp có khả năng xuất hiện các khí có độc tính cao đối với vi sinh vật từ quá trình khử nitrate như N2O, NO chúng có khả năng đầu độc vi sinh vật có nồng độ thấp. Ảnh hưởng của nhiệt độ: tốc độ của quá trình khử nitrate hóa có thể chịu ảnh hưởng quan trọng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 200C. Tốc độ nitrate hóa ở 100C chỉ bằng 20 – 40% so với khi ở 200C. Ảnh hưởng của chất hữu cơ: bản chất của chất hữu cơ cũng ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrate. Các chất hữu cơ tan, dễ sinh hủy tạo điều kiện tốt thúc đẩy tốc độ khử nitrate. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ khử nitrate tăng dần khi sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh, từ nguồn thải và chủ động đưa vào hệ metanol, axit axetic. Tuy nhiên cũng có rất nhiều nghiên cứu cho thấy nguồn hữu cơ từ nhiều loại nước thải (lên men, bia, rượu) thúc đẩy tốc độ khử nitrate mạnh hơn so với metanol. Ảnh hưởng các chất ức chế: nhìn chung, các vi sinh vật trong khử nitrate hóa thường thích nghi tốt hơn so với vi sinh vật nitrate hóa. Hai giai đoạn nitrate hóa và denitrate hóa xảy ra với hai điều kiện ngược nhau: hiếu khí – kỵ khí, tự dưỡng, dị dưỡng . Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm soát quá trình của hệ thống xử lý Nitơ khá phức tạp. 4.2.2. Bể lọc sinh học Khử nitrate đối với nước thải theo phương pháp màng vi sinh có thể thực hiện theo các dạng kỹ thuật: lọc qua tầng tĩnh, dạng linh động hoặc đĩa quay sinh học. Trong kỹ thuật dạng linh động nước thải được đưa từ dưới lên với một vận tốc đủ lớn sao cho vật liệu mang (cát mịn) được duy trì ở trạng thái lơ lửng. Vật liệu mang kích thước nhỏ có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện duy trì mật độ sinh khối cao trong vùng thể tích phản ứng nhỏ. Lọc qua tầng cố định là kỹ thuật thông dụng để khử nitrate, được chia làm hai loại: tầng lọc chứa khí và tầng lọc chứa nước (lọc ngập nước). Tầng lọc chứa khí là một hệ phản ứng kín cách ly với không khí, khí ở trong tầng chủ yếu chứa Nitơ để tạo điều kiện cho vi sinh vật Denitrifier phát triển. Nước thải được phân phối trộn đều trên vật liệu mang có chiều từ trrên xuống. Do màng vi sinh luôn bong ra khỏi vật liệu mang, trôi theo nước ra ngoài nên sau