Quá trình Nitrat hóa và ứng dụng trong xử lý nước thải chứa amoni

quá trình nitrat hóa là gì?

quá trình nitrat hóa là gì?

Quá trình nitrat hóa (khử nitrat) là quá trình chuyển hóa Amoniac (NH3) thành Nitrat (NO3-) với sản phẩm trung gian là Nitrit (NO2-). Đây là quá trình quan trọng để bắt đầu chu trình chuyển hóa nitơ của vi sinh vật (vi khuẩn khử nitơ).

Phản ứng xảy ra trong quá trình nitrat hóa và khử nitrat là:

NO3 – + 2H+ + 2e- → NO2 – + H2O

NO2 – + 2H+ + e- → NO + H2O

2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O

N2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O

Quá trình nitrat hóa diễn ra theo sơ đồ phản ứng tổng thể:

NO3 – + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O

Quá trình này được thực hiện chủ yếu bởi các vi khuẩn dị dưỡng như Pseudomonas, Paracoccus denitrificans và một số vi khuẩn khử nitrat tự dưỡng Thiobacillus denitrificans. Sau quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong xử lý nước thải, các hợp chất chứa nitơ được chuyển đổi thành khí nitơ trước khi thải vào khí quyển.

Ảnh hưởng của nước thải chứa amoni

Ảnh hưởng của nước thải chứa amoni

Amoni là trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ, tồn tại trong nước ở hai dạng NH3 và NH4+. Dạng NH4+ ít độc hơn nên việc xử lý amoni trong nước thải chủ yếu được xử lý dưới dạng NH3 (amoniac).

Amoni trong nước không tồn tại lâu và dễ chuyển hóa thành nitrit. Với những mẫu nước nhiễm amoni từ 20mg/l trở lên, chúng ta ngửi thấy mùi hôi. Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ quá trình trao đổi chất, công nghiệp, nông nghiệp và khử trùng nước bằng cloramin.

Tác dụng của amoni trong nước cụ thể:

Amoni tuy không quá độc hại nhưng nếu tồn tại trong nước vượt quá ngưỡng cho phép thì có thể chuyển hóa thành chất gây bệnh nguy hiểm và ung thư.

Amoni cản trở công nghệ xử lý nước, làm giảm hiệu quả khử trùng và giảm tác dụng của clo. Amoni kết hợp với các nguyên tố vi lượng (phốt pho, chất hữu cơ, sắt…) tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển, ảnh hưởng đến chất lượng nước (làm đục nước, tắc hệ thống chứa nước và đường ống) sau xử lý. lý do.

Khi nước bị phân hủy sẽ làm giảm yếu tố cảm quan (NH4+) là nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật, tảo phát triển trong đường ống gây rò rỉ, ăn mòn và mất thẩm mỹ.

Khi nồng độ amoni trong nước cao dễ tạo thành nitrit (NO3-), nitrat (NO2-). Nếu những chất này vào cơ thể động vật, chúng có thể chuyển hóa thành N – nitroso – chất tiền ung thư.

Nước nhiễm amoni dễ chuyển hóa thành chất độc khó xử lý

Nitơ trong nước có thể gây ra một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước.

Nitrat trong nước có thể gây thiếu hụt vitamin, kết hợp với các amin tạo thành nitrosamine là nguyên nhân gây ung thư ở người già.

Dùng nước có chứa nitrit, cơ thể hấp thụ chất này vào máu, cạnh tranh oxy với hồng cầu, huyết sắc tố mất khả năng lấy oxy, gây ra da xanh do thiếu máu.

Nitrit đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ dưới 6 tháng tuổi, gây chậm tăng trưởng, gây ra các bệnh về đường hô hấp, khiến trẻ yếu ớt, xanh xao, thiếu máu, khó thở do thiếu oxy trong máu.

Nitrit kết hợp với axit amin trong thực phẩm tạo thành hợp chất nitrosamine, có thể gây tổn thương tế bào (ung thư) ở người lớn.

Xử lý amoni trong nước thải

Để xử lý amoni trong nước thải, có thể áp dụng các phương pháp sau:

Phương pháp hóa lý: trao đổi ion, cắt, hấp phụ

Phương pháp hóa học: kết tủa amoni bằng MAP (magie amoni photphat), oxy hóa amoni

Phương pháp điện hóa

Phương pháp sinh học: quá trình khử nitrat, quá trình nitrat và quá trình anammox

Khi lựa chọn phương pháp xử lý, chúng ta cần xem xét các yếu tố chính: nồng độ amoni trong nước thải, hiệu quả xử lý và chi phí. Ví dụ:

Nếu xử lý nước thải sinh hoạt có nồng độ amoni

Nếu nồng độ amoni từ 100 – 5.000 mg/l thì áp dụng phương pháp sục khí vi sinh hoặc sục khí bay hơi.

Nếu nồng độ amoni > 5.000 mg/l thì sử dụng phương pháp hóa lý để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Phương pháp xử lý amoni phổ biến, đơn giản và tối ưu nhất để xử lý amoni và nitơ trong nước thải là phương pháp sinh học. Để sử dụng tốt phương pháp cần phải hiểu chính xác công thức BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1. Theo QCVN 14:2008/BTNMT, có 2 chỉ tiêu liên quan đến nitơ là NO3- và NH4+ được tính theo công thức N.

Như vậy, nếu xử lý hiếu khí trước thì BOD có thể bị mất hoàn toàn, trong khi nitơ chỉ tồn tại ở dạng NO3 – và chưa được tách thành dạng N2 tự do. Như vậy, sau khi xử lý nước thải chỉ đạt chỉ tiêu amoni và BOD chứ không đạt chỉ tiêu nitrat.

Vì vậy, để giảm thể tích bể chứa, bể Anoxic thường được thiết kế trước bể Oxic, quá trình chuyển hóa NO3 => N2 diễn ra nhờ bơm tuần hoàn trong bể Anoxic.

Cơ chế nitrat hóa

Cơ chế nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra như sau:

Quá trình nitrat hóa

Bước 1: Quá trình chuyển hóa amoniac (NH3, NH4+) => nitrit (NO2) nhờ vi khuẩn Nitrosomonas

NH4- + 1,5 O2 -> NO2- + 2H+ + H2O

Bước 2: Chuyển đổi NO2 => nitrat (NO3) nhờ vi khuẩn Nitrobacter và hoàn tất quá trình nitrat hóa

NO2- + 0,5 O2 -> NO3 –

Nitrosomonas và Nitrobacteria sử dụng năng lượng từ các phản ứng trên để duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Phương trình tổng hợp:

NH4- + 2 O2 -> NO3 – + 2H+ + H2O

Phương trình tổng hợp sinh khối:

4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O -> C5H7O2N + 5O2

C5H7O2N thu được được sử dụng để tổng hợp sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn.

Phản ứng oxy hóa, tổng hợp được thể hiện thông qua phản ứng:

NH4++1,83O2+1,98 HCO3- –> 0,021C5H7O2N + 0,98NO3-+1,041H2O+1,88H2CO3

Quá trình khử nitrat

Quá trình chuyển sang giai đoạn khử nitrit, tách các phân tử oxy của nitrat và nitrit để oxy hóa chất hữu cơ, giải phóng N2 ra môi trường.

Phương trình khử nitrat:

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

Phương trình khử nitrat:

NO2- + 0,67 CH3OH + H+ -> 0,04 C5H7O2N + 0,48 N2 + 0,47CO2 + 1,7H2O

Quá trình nitrat hóa là chu trình xử lý nitơ trong nước thải và kết thúc ở bước thứ hai. Quá trình này khử nitrat thành khí N2 vào khí quyển, làm giảm nồng độ nitơ và amoniac cao trong nước thải. Qua đó giúp các đô thị, nhà máy, xí nghiệp… xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn quy định, giảm thiểu tác hại đến môi trường và sức khỏe con người.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa:

Nồng độ amoniac: nếu lượng amoniac không đủ dồi dào thì không thể hỗ trợ quá trình nitrat hóa

Nồng độ pH: Để vi khuẩn hoạt động tốt thì pH = 6,0-9,0. Khi tích hợp vào chế phẩm sinh học, độ pH lý tưởng cho vi khuẩn nitrat hóa phát triển là 7,5-8,5 mang lại hiệu quả cao.

Độ kiềm: Cần 7,15 mg/l độ kiềm để oxy hóa 1 mg/l Amoniac (chuyển thành Nitrate). Hệ thống được kiểm soát độ kiềm từ 100 – 200 mg/l CaCO3-. Khi tích hợp vào sản phẩm men vi sinh, độ kiềm cacbonat tối ưu phải lớn hơn hoặc bằng 150g/l.

Oxy hòa tan: Hàm lượng oxy hòa tan DO >3,0 mg/L đảm bảo có đủ oxy cho quá trình Nitrat diễn ra.

Thời gian lưu nước: Thời gian lưu nước tối thiểu trong bể sục khí khoảng 4 giờ

Thời gian lưu bùn trung bình MCRT > 10 ngày, tuổi bùn và tỷ lệ F:M thấp hơn

Nhiệt độ nuôi vi khuẩn nitrat hóa: Nhiệt độ tối ưu là 30 – 36 độ C.

Chất dinh dưỡng: Chất dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn Nitrat là Orthophosphate

Các chất ức chế độc tính và quá trình nitrat hóa: ví dụ Thiourea, Aniline, Cyanide, Phenol và các kim loại nặng (bạc, đồng, niken, crom, thủy ngân và kẽm).

Như vậy, quá trình nitrat hóa là bước đầu tiên của chu trình nitơ và đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa amoniac thành nitrat. Quá trình này hỗ trợ xử lý nitơ trong nước thải và đang được vận hành trong nhiều hệ thống xử lý nước thải hiện nay. Nếu bạn muốn tìm thêm thông tin chi tiết hoặc được giải đáp thắc mắc liên quan vui lòng liên hệ Đông Á, chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ.

Nguyễn Lân Dũng

Giáo sưNguyễn Lân Dũnglà nhà khoa học hàng đầu Việt Nam trong lĩnh vực vi sinh vật học (wiki), với hơn nửa thế kỷ cống hiến cho giáo dục và nghiên cứu. Ông là con trai Nhà giáo Nhân dân Nguyễn Lân, thuộc gia đình nổi tiếng hiếu học. Giáo sư giữ nhiều vai trò quan trọng như Chủ tịch Hội các ngành Sinh học Việt Nam, Đại biểu Quốc hội và đã được phong tặng danh hiệu Nhà giáo Nhân dân năm 2010.