QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITO TRONG NƯỚC THẢI
QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITO TRONG NƯỚC THẢI
Quá trình chuyển hóa Nito là một quá trình quan trọng xảy ra trong tất cả các sinh vật sống trên trái đất.
- Nitơ đi vào nước thải qua các con đường khác nhau, bao gồm nước tiểu, chất thải từ chế biến thực phẩm, chất tẩy rửa hóa học và các thành phần công nghiệp.
- Nitơ hiện diện trong nước thải dưới các dạng khác nhau, bao gồm amonia, nitrit, nitrat và nitơ hữu cơ.
Quá trình loại bỏ nitơ
Quá trình loại bỏ nitơ bao gồm các bước:
- Hydrolysis: Nitơ hữu cơ được chuyển đổi thành amonia.
- Nitrification: Amonia được chuyển đổi thành nitrit và sau đó là nitrat bởi vi khuẩn tự dưỡng
- Denitrification: Nitrat được chuyển đổi thành khí nitơ bởi vi khuẩn dị dưỡng.
- Amoni là gì?
Amoni (Ammonia) là một trạng thái hóa trị của nguyên tố Nitơ, trong nước Amoni tồn tại dưới 2 dạng là NH3 và NH4+ (trong đó NH4+ là Amoni, ít độc). Do đó xử lý Amoni trong nước thải chủ yếu là xử lý Amoniac NH3.
Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hoá, nông nghiệp, công nghiệp.
I.1 Ảnh hưởng của amoni trong nước thải
Amoni không quá độc với con người và động vật. Tuy nhiên, nếu tồn tại trong nước với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các chất gây ung thư và các bệnh nguy hiểm khác.
– Amoni gây cản trở trong công nghệ xử lý nước cấp: làm giảm tác dụng của clo, giảm hiệu quả khử trùng nước.
- Amoni cùng với các chất vi lượng trong nước (hợp chất hữu cơ, phốt pho, sắt, mangan…) sẽ tạo điều kiện để vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước sau xử lý. Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống dẫn, chứa nước.
- Nước bị xuống cấp, làm giảm các yếu tố cảm quan ( NH4+) là nguồn dinh dưỡng để rêu tảo phát triển, vi sinh vật phát triển trong đường ống gây ăn mòn, rò rỉ và mất mỹ quan).
- Bên cạnh đó, nồng độ amoni trong nước cao, rất dễ tạo thành các nitrat (NO2-), nitrit (NO3). Trong cơ thể động vật, nitrit và nitrat có thể biến thành N – nitroso – là chất tiền ung thư.
Nước nhiễm amoni còn nghiêm trọng hơn nhiễm asen rất nhiều vì amoni dễ dàng chuyển hóa thành các chất độc hại, lại khó xử lý.
– Các hợp chất nito trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước. Nitrat tạo ra chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi.
– Khi ăn uống nước có chứa nitrit, cơ thể sẽ hấp thu nitrit vào máu và chất này sẽ tranh oxy của hồng cầu làm hemoglobin mất khả năng lấy oxy, dẫn đến tình trạng thiếu máu, xanh da.
– Nitrit đặc biệt nguy hiểm cho trẻ mới sinh dưới sáu tháng. Nó có thể làm chậm sự phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp, trẻ bị xanh xao, ốm yếu, thiếu máu, khó thở do thiếu oxi trong máu.
Đối với người lớn, nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm làm thành một hợp chất nitrosamin. Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền tế bào – nguyên nhân gây bệnh ung thư.
I.2 Phương pháp xử lý amoni trong nước thải
Bao gồm các phương pháp xử lý amoni sau:
– Phương pháp hóa lý: tripping, trao đổi ion, hấp phụ.
– Phương pháp hóa học: oxi hóa amoni, kết tủa amoni bằng MAP (magie amoni photphat),
– Phương pháp điện hóa.
– Phương pháp sinh học: quá trình nitrat, denitrat và quá trình annamox.
Để lựa chọn phương pháp xử lý cần xem xét hai yếu tố chính là hiệu quả xử lý và giá thành, điều quan trọng để quyết định phương pháp xử lý theo phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ ammoni trong nước thải.
Nếu nồng độ ammoni không cao (< 100 mg/l) như trong nước thải sinh hoạt thì sử dụng phương pháp vi sinh là thích hợp nhất, nồng độ ammoni từ 100 – 5.000 mg/l cũng sử dụng phương pháp vi sinh hoặc có thể sử dụng phương pháp sục khí bay hơi, nồng độ ammoni lớn hơn 5.000 mg/l nên sử dụng phương pháp hóa lý sẽ phù hợp cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế.
Phương pháp xử lý amoni tối ưu, thông dụng và đơn giản nhất trong việc xử lý amoni và nito trong nước thải là phương pháp sinh học.
Để sử dụng tốt được phương pháp sinh học trong xử lý Nito thì điều quan trọng nhất là phải hiểu được chính xác công thức: BOD5:N:P=100:5:1–Theo quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT, có 2 chỉ tiêu liên quan đến ni tơ là NH4+ (tính theo N) và NO3- (tính theo N).
NH4+ sẽ chuyển thành NO3- qua quá trình nitrification, sau đó NO3- chuyển thành N2 tự do bởi quá trình denitrification. Nitrification xảy ra ở bể hiếu khí, trong khi denitrification ở bể thiếu khí.
Nitrification xảy ra trước, denitrification xảy ra sau, vậy tại sao các bể lại thiết kế dạng A-O (thiếu khí trước – hiếu khí sau)
Nếu quá trình xử lý hiếu khí trước, BOD có thể mất hết mà ni tơ mới chỉ ở dạng NO3-, chưa tách thành dạng N2 tự do. Khi đó nước thải sau xử lý sẽ đạt chỉ tiêu BOD và Amoni, nhưng không đạt chỉ tiêu Nitrat.
Do đó trong thiết kế thông thường, để giảm thể tích các bể chứa người ta thiết kế bể Anoxic trước bể Oxic, việc chuyển hóa từ NO3- thành N2 diễn ra trong bể Anoxic nhờ dòng bơm tuần hoàn.
- Quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong xử lý nước thải
Chất thải từ động vật, thực vật, thức ăn bị vi khuẩn phân giải, giải phóng ra khí Amoniac (NH3) và Amoni (NH4+). NH3 là khí độc dễ hòa tan trong nước, NH4+ là một loại muối chỉ độc ở nồng độ cao.
Để xử lý Nitơ và Amoniac cao trong nước thải, có thể áp dụng nhiều phương pháp, tuy nhiên sử dụng vi sinh được đánh giá là phương pháp mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp và đặc biệt là không gây hại cho môi trường.
Theo đó để xử lý Amoni cần diễn ra qua quá trình Nitrat hóa trước khi khử Nitrat và giải phóng khí Nitơ tự do.
Lúc này cần đến quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat để loại bỏ và giảm thiểu Nitơ trong nước thải (nước thải sản xuất và sinh hoạt), nhất là khi chất lượng nước thải đầu ra được kiểm định ngày càng nghiêm ngặt.
Xem thêm Video: Quá trình chuyển hóa Nito
II.1 Quá trình nitrat hóa.
Trong xử lý nước thải, nếu nắm rõ quá trình nitrat hóa sẽ giúp các kỹ sư tính toán, thiết kế, thi công và vận hành hệ thống xử lý nước thải diễn ra nhanh chóng, đạt hiệu quả cao, đồng thời tránh được các rủi ro không đáng có.
- Quá trình nitrat hóa trong xử lý nước thải chứa amoni
Vậy, quá trình nitrat hóa là gì? Có thể hiểu, đây là quá trình oxy hóa amoniac thành nitrat với sản phẩm trung gian là nitrit. Đây là quá trình đầu tiên để khởi động chu trình nitơ, được thực hiện bởi bộ đôi vi khuẩn nitrosomonas và nitrobacter.
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amoni.
Ngược với các vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO2(dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới.
Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.
Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại vi sinh vật , đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. ở giai đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành nitrat
- Cơ chế của quá trình nitrat hóa
Quá trình Nitrat diễn ra như sau:
– Bước 1: Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ biến đổi Amoniac (NH3, NH4+) thành Nitrit (NO2)
NH4- + 1,5 O2 –> NO2- + 2H+ + H2O
– Bước 2: Vi khuẩn Nitrobacter sẽ tiến hành chuyển hóa NO2 thành Nitrat (NO3), kết thúc quá trình Nitrat hóa.
NO-2 + 0,5 O2 –> NO3-
- Các yếu tô sảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa
Nồng độ Amoniac: Nếu không đủ Amoniac dư, không thể hỗ trợ quá trình Nitrat hóa.
Nồng độ pH: Để vi khuẩn hoạt động thì độ pH của quá trình Nitrat hóa sẽ trong khoảng từ 6.0-9.0, khi tích hợp vào men vi sinh độ pH lý tưởng để vi khuẩn Nitrat hóa phát triển mang lại hiệu quả cao là từ 7.5-8.5.
Độ kiềm: Mỗi mg/l Amoniac bị oxy hóa (chuyển thành Nitrat) cần 7,15 mg/l độ kiềm. Thông thường, các hệ thống được kiểm soát đến độ kiềm từ 100 – 200 mg/l CaCO3-.
Oxy hòa tan: Để đảm bảo có đủ oxy cho quá trình Nitrat diễn ra thì hàm lượng oxy hòa tan DO >3.0 mg/L.
Thời gian lưu nước: Thời gian lưu nước bể sục khí tối thiểu là khoảng 4h.
Thời gian lưu bùn trung bình MCRT, tuổi bùn và tỷ lệ F:M: Vi sinh vật hoạt động ở MCRTs > 10 ngày và tỷ lệ F:M thấp hơn.
Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu của vi khuẩn Nitrat hóa là 30-36 độ C.
Chất dinh dưỡng: Vi khuẩn Nitrat cần Orthophosphate để làm chất dinh dưỡng
Độc tính và chất ức chế quá trình Nitrat hóa: Chẳng hạn như Thiourea, Xyanua, Phenol, Anilin và kim loại nặng (bạc, đồng, niken, crom, thủy ngân và kẽm).
Như vậy, quá trình Nitrat hóa là bước khởi động đầu tiên của chu trình Nitơ, đóng vai trò vô cùng quan trọng để chuyển hóa Amoniac thành Nitrat, hỗ trợ quá trình xử lý Nitơ trong nước thải. Đây là chu trình đang được vận hành tại nhiều hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy, xí nghiệp, khu đô thị, dân cư…Bạn đang tìm kiếm phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải hay gặp các vấn đề khi vận hành quá trình Nitrat hóa?
II.2 Quá trình khử Nitrat
Khử Nitrat là quá trình chuyển hóa Nitrat trong nước thải thành Nitơ tự do. Từ đó làm giảm nồng độ Nitơ tổng trong nước thải. Một số chủng vi sinh vật tham gia vào các phản ứng chuyển hóa này như: Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Serratia, Pseudomonas và Achromobacter có khả năng khử nitơ trong điều kiện yếm khí.
·Quá trình khử Nitrat diễn ra như thế nào?
- Khử Nitrat là quá trình vi sinh vật dị dưỡng có chức năng khử Nitrat thành dạng khí tự do của Nitơ. Quá trình khử Nitrat là một phản ứng phụ thuộc vào sự thay đổi nồng độ oxy (O2) của môi trường xung quanh chúng. Chỉ khi Oxy bị hạn chế thì các chủng vi sinh vật dị dưỡng khử Nitrat mới chuyển từ hô hấp hiếu khí sang hô hấp thiếu khí, chúng sử dụng Nitrat (NO2) làm chất cho điện tử oxy.
- Quá trình khử Nitrat là một quá trình phổ biến đối với hầu hết các nhà máy xử lý nước thải, là giai đoạn cuối cùng của quá trình xử lý Tổng Nitơ.
- Trong bể thiếu khí (bể Anoxic), quá trình khử Nitrat sử dụng N-Nitrat (N-NO3 -) cung cấp oxy cho vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện thiếu khí để oxy hóa các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Nếu có sự hiện diện của oxy, những chủng vi khuẩn này sẽ sử dụng nó để trao đổi chất, hình thành tế bào mới (sinh khối) trước khi chúng sử dụng oxy từ Nitrat. Do đó, nồng độ oxy hòa tan phải được giảm thiểu để quá trình khử Nitrat hoạt động hiệu quả.
- Theo Metcalf và Eddy (1979), các phản ứng khử diễn ra lần lượt là:
6 NO3- + 2 CH3OH → 6 NO2- + 2 CO2 + 4 H2O (Bước 1)
6 NO2- + 3 CH3OH → 3 N2 + 3 CO2 + 3 H2O +6 OH- (Bước 2)
=> 6 NO3- + 5 CH3OH → 5 CO2 + 3 N2 + 7 H2O + 6 OH-
- Các yêu tố ảnh hưởng tới quá trình Khử Nitrat
- Oxy hòa tan: Để đảm bảo có đủ oxy cho quá trình Nitrat diễn ra thì hàm lượng oxy hòa tan DO <0.5 mg/L.
- pH: 7.0- 8.5
- Nguồn Cacbon: Methanol, Etanol, CH3COOH
- Thời gian lưu trong bể thiếu khí (tùy thuộc vào nồng độ nitơ đầu vào)
- Đảm bảo quá trình đảo trộn trong bể thiếu khí
III. Sự khác nhau của quá trình Nitrat hóa và Khử Nitrat
Nitrat hóa và khử Nitrat là hai quá trình luôn song hành để xử lý triệt để các chỉ tiêu liên quan đến Nitơ, Amonia trong nước thải. Nhiều người vẫn nhầm lần giữa hai quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat. Bảng so sánh dưới đây sẽ giúp bạn làm rõ hơn về hai quá trình này.
|
Hạng mục |
Quá trình Nitrat hóa |
Quá trình Khử Nitrat |
|
Định nghĩa |
Quá trình chuyển đổi N-Amonia thành Nitrit và từ Nitrit chuyển đổi thành Nitrat được gọi là quá trình Nitrat hóa. |
Quá trình chuyển đổi Nitrat thành Nitơ tự do được gọi là quá trình khử Nitrat. |
|
Chủng vi sinh vật tham gia |
Vi sinh vật tự dưỡng |
Vi sinh vật dị dưỡng |
|
Nguồn carbon |
Carbon vô cơ (CO2, CO32-, HCO3-, …) |
Carbon hữu cơ (mật rỉ đường, Methanol…) |
|
Nguồn oxy |
Oxy hòa tan trong nước |
Từ NO3- |
|
Năng lượng tạo ra |
Quá trình này tạo ra một lượng năng lượng rất nhỏ so với các phản ứng chuyển hóa khác. |
Quá trình khử Nitrat mang lại năng lượng dưới dạng ATP. |
|
Sản phẩm cuối cùng |
Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là hợp chất Nitrat. |
Sản phẩm cuối cùng của quá trình này là 01 phân tử khí Nitơ tự do và 06 phân tử nước. |
XEM THÊM: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI MBBR
MỌI THÔNG TIN XIN LIÊN HỆ:
CÔNG TY TNHH MÔI TRƯỜNG HƯNG BÌNH (HUBICO) - ĐẠI LÝ PHÂN PHỐI ĐỘC QUYỀN VÀ DUY NHẤT GIÁ THỂ MUTAG BIOCHIP VÀ MÀNG MBR SUMITOMO TẠI THỊ TRƯỜNG VIỆT NAM
Địa chỉ: 28 Mai Chí Thọ, Phường An Phú, Thành phố Thủ Đức, TPHCM Hotline: 0932 471 442 Mail: canhtai.hubico@gmail.com Website: https://giathebiochip.com/ Zalo: https://zalo.me/1625078209445822213 Youtube: https://www.youtube.com/@hubicovn Facebook: https://www.facebook.com/MinhHieuHubico #biochip #mutagbiochip #hubico #mbbr
