Quá trình Nitrate hóa trong hệ thống xử lý nước thải

Quá trình nitrate hóa trong hệ thống xử lý nước thải:

Trong chu trình xử lý nước thải, a-mô-ni-ắc được giải phóng từ các phản ứng ô-xy hóa sinh học của các vật chất hữu cơ có chứa các hợp chất ni-tơ, nghĩa là protein được chuyển hóa giải phóng ra a-mô-ni-ắc được gọi là sự khoáng hóa ni-tơ: protein -> amino a-xít -> khoáng hóa ni-tơ hay phản ứng chuyển hóa thành a-mô-ni-ắc -> a-mô-ni-ắc.

1) Trong quá trình vận hành của hệ thống nước thải, a-mô-ni-ắc là một trong những sản phẩm cuối cùng của phản ứng ô-xy hóa sinh học các vật chất hữu cơ chứa ni-tơ.

2) Sự nitrate hóa là quá trình ô-xy hóa sinh học riêng biệt xảy ra khi môi trường nuôi cấy chọn lọc tiến hành các phản ứng o-xy hóa sinh học của a-mô-ni-ắc. Đây là một quá trình hiếu khí: trước tiên a-mô-ni-ắc sẽ bị ô-xy hóa thành nitrite, sau đó nitrite tiếp tục bị ô-xy hóa thành nitrate. Nitrate là sản phẩm cuối cùng của quá trình nitrate hóa.

3) Khử nitrate hóa (hay phản nitrate hóa) là phản ứng ô-xy hóa sinh học các hợp chất nitrate được thực hiện trong môi trường thiếu khí/kỵ khí, theo đó nitrate được chuyển hóa thành khí ni-tơ trong quá trình được gọi là hô hấp kị khí: NO3- –> NO2 -> NO ->N20 -> N2.

Trong quá trình xử lý nước thải, giai đoạn đầu tiên được thiết kế nhằm mục đích khử hiếu khí các vật chất hữu cơ, sau đó là giai đoạn ô-xy hóa hiếu khí cho sự khử a-mô-ni-ắc. Bởi vì tốc độ của quá trình nitrate hóa thường chậm, ví dụ, mỗi một vi sinh chuyển hóa nitrate cần tối thiểu 18 giờ để thực hiện một lần phân chia tế bào đơn lẻ trong điều kiện lý tưởng. Với những thiết kế thông thường, điều này cho phép thời gian lưu của chất rắn (MCRT) lên đến 10 ngày.

Những điều cần biết về quá trình nitrate hóa:

Tùy thuộc vào pH, a-mô-ni-ắc gây độc hại đối với thủy sinh ngay tại nồng độ thấp như 0.5 mg/l;

Ni-tơ chiếm 12-14% khối lượng protein trong tế bào.

Nguồn a-mô-ni-ắc gồm có u-rê, mô động/thực vật đã chết, phân và các tế bào hô hấp nội sinh ví dụ các vi khuẩn chết đã bị dung giải;

Tổng ni-tơ Kjeldahl (TKN) là tổng lượng ni-tơ hữu cơ và ni-tơ a-mô-ni. (NH4+);

Ni-tơ a-mô-ni-ắc bao gồm cả a-mô-ni-ắc (NH3) và a-mô-ni (NH4+), hay còn được gọi là TAN – Tổng ni-tơ a-mô-ni-ắc. Cả NH3 và NH4+ đều hiện diện tại cân bằng của phản ứng;

NH3 + H2O <->  NH4+ + OH-

Các phép phân tích a-mô-ni-ắc thường đo tổng lượng a-mô-ni-ắc (NH3 và NH4+). Độc tính của a-mô-ni-ắc chủ yếu bắt nguồn từ dạng chưa ion hóa (NH3), trái ngược với dạng ion (NH4+). Nhìn chung, hàm lượng NH3 và độc tính càng tăng khi pH càng cao.

Tại pH cao, cân bằng của phản ứng trên chuyển dịch sang trái

Nhìn chung,

Tại pH=9, 80% TAN chứa khoảng 80% ni-tơ ở dạng NH3.

Tại pH=6, TAN chứa khoảng 20% ni-tơ ở dạng NH3.

Vi khuẩn dị dưỡng (tồn tại trong sản phẩm MicrobeLift IND) đòi hỏi các dạng các-bon và ni tơ phức tạp để tổng hợp tế bào;

Vi khuẩn tự dưỡng (tồn tại trong sản phẩm MicrobeLift N1) chỉ cần CO2 và dạng ni-tơ vô cơ đơn giản để tổng hợp tế bào. Cả vi khuẩn dị đưỡng và tự dưỡng đều có thể sử dụng ni-tơ vô cơ để tổng hợp tế bào.

Xem thêm: MICROBE LIFT: Chế phẩm Vi sinh Vật Xử lý Môi Trường

Những yếu tố cần tính toán cho quá trình nitrate hóa bao gồm: thời gian lưu trữ, pH, nhiệt độ, hàm lượng vật chất hữu cơ (nên thấp), và độ kiềm các-bô-nát tương ứng (quá trình nitrate hóa cần 7.1/kg KH để ô-xy hóa một kg a-mô-ni-ắc).

Nitrate hóa là quá trình o-xy hóa hợp chất chứa ni-tơ (nguyên tử ni-tơ bị mất e-lec-tron và chuyển e-lec-tron đó sang nguyên tử ô-xy):

1. 2NH4+ + 3O2 + Nitrosomonas → 2NO2- + 2H2O + 4H+ + Năng lượng Đây là phản ứng nitrite hóa
2. 2NO2- + O2 + Nitrobacter → 2NO3- + Năng lượng Đây là phản ứng nitrate hóa
3. NH4+ 2O2 → NO3− + 2H+ + H2O + Năng lượng Đây là phản ứng nitrate hóa tổng quát.

Tỷ lệ các-bon/ni-tơ thông thường không được áp dụng trong quá trình nitrate hóa, tuy nhiên các vi sinh phân hủy chất thải trong chất rắn lơ lửng trong hệ thống nước thải đóng vai trò giữ lại môi trường sống cho các vi khuẩn chuyển hóa ni-tơ, trong khi giá trị nhu cầu ô-xy sinh học (BOD) cao được xem là hạn chế quá trình nitrate hóa. Vì vậy, rất nhiều hệ thống bùn hoạt hóa tách riêng các bể sục khí với các bể của giai đoạn hai được thiết kế với thời gian lưu chất rắn dài hơn, và trong môi trường hầu như không có các-bon hữu cơ;

Quá trình ô-xy hóa sinh học khác biệt hoàn toàn và có thể diễn ra trong quá trình chỉ tồn tại a-mô-ni-ắc;

Nguồn năng lượng là từ a-mô-ni-ắc, CO2, độ kiềm các-bô-nát, và đương nhiên là từ những vi sinh chuyển hóa ni-tơ để tiến hành quá trình nitrate hóa;

Khi a-mô-ni-ắc có thể được loại bỏ thông qua những quá trình khác ví dụ như quá trình hấp thu của tế bào và quá trình nitrate hóa dị dưỡng, thì quá trình loại bỏ a-mô-ni-ắc về cơ bản là gắn liền với một số vi sinh chuyển hóa ni-tơ chọn lọc trong điều kiện cụ thể bao gồm thời gian lưu trữ bùn (tuổi bùn-SRT) đủ dài, pH, nhiệt độ và độ kiềm các-bô-nát phù hợp.

Một số thắc mắc gần đây liên quan đến việc sử dụng sản phẩm MicrobeLift IND và MicrobeLift N1.

MicrobeLift IND là quần thể vi sinh then chốt được sử dụng trong tất cả ứng dụng thực tiễn. MicrobeLift N1 là quần thể vi sinh dạng dịch lỏng bao gồm 3 dòng vi sinh chuyển hóa ni-tơ chuyên biệt: Nitrosomonas SP, Nitrobacter SP và Nitrospira SP. Công thức sinh học này được thiết kế cho quá trình nitrate hóa, theo đó các dòng vi sinh trên có nhiệm vụ trước tiên là bẻ gãy liên kết và chuyển hóa a-mô-ni-ắc thành nitrite NO2-, sau đó chuyển hóa nitrite NO2- thành nitrate NO3-, kết thúc quá trình nitrate hóa nhằm loại bỏ a-mô-ni-ắc sinh học. Sản phẩm cuối cùng của phản ứng nitrate hóa là nitrate NO3-.

Để hoàn tất quá trình nitrate hóa, một số yêu cầu cơ bản cần được lưu ý:

• Thời gian lưu là một yêu cầu quan trọng để đạt được nitrate hóa, thông thường theo các phân giải sinh học và loại bỏ chất thải hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải sinh học bậc hai (các bồn được sục khí);
• Quá trình nitrate hóa thường yêu cầu thời gian lưu trữ theo thiết kế là 10 ngày. Trong hệ thống bùn hoạt hóa tuần hòa, điều này đạt được qua bùn họat tính được trữ lại;
• Giá trị pH của môi trường nitrate hóa phải luôn luôn nằm trong ngưỡng kiềm xung quanh 7.2, mục tiêu là từ 7.5 – 7.6;
• Độ kiềm các-bô-nát là yếu tố then chốt đối với quá trình nitrate hóa, bởi vì độ kiềm các-bô-nát là nguồn năng lượng chủ yếu cho các chủng vi sinh chuyển hóa ni-tơ. Cần 71.kg độ kiềm các-bô-nát để loại bỏ một kg a-mô-ni-ắc.
• Chỉ số nhu cầu ô-xy sinh học BOD và hóa học COD của hệ thống nước thải phải thấp hơn 30 phần triệu (ppm), với mục tiêu là không quá 30 đến 20 phần triệu tại đầu ra của quá trình xử lý nước thải bởi vì các chủng vi sinh chuyển hóa ni-tơ sẽ không thể cạnh tranh lại các vi sinh phân hủy thải.
• Luôn sử dụng sản phẩm Microbelift IND cho bất kỳ hệ thống nước thải nào bị trở ngại bởi quá trình nitrate hóa, bởi vì các vật chất hữu cơ khó phân hủy đàn áp các vi sinh chuyển hóa ni-tơ và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh này.

Để khởi động quá trình xử lý ban đầu, nên sử dụng tỉ lệ cho ăn cao hơn khi áp dụng cho MicrobeLift IND, bởi vì tốc độ phát triển tế bào của vi sinh chuyển hóa ni-tơ rất chậm, thường cần khoảng 18 giờ cho mỗi quá trình phân chia tế bào đơn lẻ, trong khi vi sinh phân hủy thải chỉ cần 1 giờ. Đây là lý do khiến cho việc hoàn tất quá trình nitrate hóa trở nên khó khăn. Một tuần sau liều MicrobeLift IND đầu tiên thì sử dụng MicrobeLift N1. Hàm lượng ban đầu của N1 tương đương với hàm lượng của IND.

Vi khuẩn chuyển hóa ni-tơ trong sản phẩm MicrobeLift N1 không hiện diện trong sản phẩm MicrobeLift IND. Đối với hệ thống chỉ sử dụng MicrobeLift IND, trong hầu hết các trường hợp, sự nitrate hóa sẽ tự diễn ra, tuy nhiên thường cần đến một vài trợ giúp và sản phẩm MicrobeLift N1 giúp tạo ra các yếu tố sinh học cần thiết đáp ứng yêu cầu của phản ứng chuyến hóa a-mô-ni-ắc thành nitrate.

Trong nuôi trồng thủy sản thương mại, việc thiết lập quá trình chuyển hóa ni-tơ sử dụng MicrobeLift AquaC ở mức cho ăn tỉ trọng rất thấp cần phải thích hợp. Kỹ thuật này điều khiển quá trình chuyển hóa ni-tơ và giảm các vật chất thải gây ức chế làm cho quá trình chuyển hóa nitrate tự nhiên và sự hấp thu các hợp chất ni-tơ của tế bào trở nên nhanh hơn. Với mức cho ăn tỉ trọng cao và thức ăn có hàm lượng protein cao, khuyến cáo sử dụng MicrobeLift N1 kèm với chế phẩm MicrobeLift AquaC.

Việc loại bỏ bùn thải thường được diễn ra trong lớp cặn đáy. Tốc độ của phản ứng ô-xy hóa khử tăng chỉ xảy ra trong lớp căn đáy “trong phạm vi khu vực kỵ khí”, nơi mà nitrate được sử dụng để kết thúc quá trình thiếu khí, loại bỏ các vật chất hữu cơ ra khỏi môi trường phản ứng qua tốc độ loại bỏ được tăng cường trong quá trình hô hấp thiếu o-xy. Vi sinh khử ni-tơ trong sản phẩm MicrobeLift IND hoạt động nhanh gấp 17 lần so với quá trình kỵ khí thông thường.

Trong khi các hệ thống bùn hoạt hóa là rất lý tưởng cho đạt được sự chuyển hóa ni-tơ cần thiết “do thời gian lưu dài” qua RAS (bùn hoạt hóa được trữ lại), và đặc biệt các hệ thống có thiết kế các bể chứa thêm để làm giảm BOD/COD nhằm đạt được môi trường chuyển hóa tối ưu.

Nitrate hóa có thể xảy ra trong những thiết kế hệ thống khác. Cần phải hiểu rằng, những vấn đề gặp phải trong quá trình khử a-mô-ni-ắc xảy ra ở nhiều những thiết kế hệ thống nước thải khác.

Trong khi môi trường bắt buộc và lý tưởng cho sự nitrate hóa là trong một quá trình hiếu khí, thì trong rất nhiều trường hợp nitrate hóa diễn ra ở trong một phá tùy nghi đơn lẻ hoặc một chuỗi các phá tùy nghi có thời gian lưu được thiết kế thích hợp cho quá trình chuyển hóa xảy ra, bởi vì lớp bề mặt phía trên của phá là hiếu khí. Trong các trường hợp khác, nitrate hóa có thể xảy ra trong một phá hay một chuỗi phá sục khí. Yếu tố cơ sở là thời gian lưu đủ dài để các vật chất hữu cơ bị o-xy hóa tới một mức độ không làm cản trở quá trình chuyển hóa nitrate và đủ dài cho quá trình này xảy ra.

Thông tin thêm về phản ứng nitrate hóa:

Nitrate hóa là phản ứng sinh hóa xảy ra bên trong vi khuẩn.Hai loại vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Hai loại vi khuẩn này được biết đến như là các tác nhân chuyển hóa ni-tơ. Cả hai đều tự dưỡng, có nghĩa là chúng lấy các-bon từ nguồn các-bon vô cơ (CO32-, HCO3-) hoặc từ CO2. Trong quá trình nitrate hóa bùn hoạt hóa, chỉ có 3-7% vi khuẩn là tác nhân chuyển hóa ni-tơ tự dưỡng khi tỷ lệ BOD/ni-tơ là 3:1. Khi tỷ lệ nào giảm, lượng vi khuẩn chuyển hóa ni-tơ tăng lên. Do đó, quá trình nitrate hóa trở nên thuận lợi nhờ vào việc đẩy nhanh việc loại bỏ BOD trước khi bước vào giai đoạn nitrate hóa.

VI KHUẨN CHUYỂN HÓA NI-TƠ NITRIFIERS

(Chuyến hóa NH3 thành NO3)

• Nitrosomonas europaea (Phổ biến nhất)
• Nitrosomonas monocella
• Nitrosococcus spp.
• Nitrosolobulus multiformis
• Nitrospira briensis

(Chuyển hóa NO2 thành NO3)

• Nitrobacter agilis
• Nitrobacter winogradskqi
• Nitrosocytis spp.
• Nitrosococcus mobilis
• Nitrosospira gracilis

Vi khuẩn dị dưỡng có thể o-xy hóa NH3, tuy nhiên độ hoạt động của chúng không sánh bằng các chủng vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng;

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrate hóa là 30 – 36oC (86 – 96.8oF). Nhiệt độ hoạt động là 10- 38oC (50-101oF). Cả Nitrosomonas và Nitrobacter đều nhạy cảm với nồng độ cao của chất nền chính nó và của chất nền lẫn nhau.

Nitrosomonas có thể chịu đựng hàm lượng NH4+ lên tới 1000 mg/l. Ngay cả ở nồng độ 800 mg/l, một số phản ứng ô-xy hóa vẫn xảy ra. Tham khảo sơ đồ bên dưới.

Nitrobacter – hiện tượng trễ tăng lên. Pha hiện diện ở nồng độ a-mô-ni-a 8-16 mg/l;

Nitrosomonas – hàm lượng 10mg/l nitrite có thể ức chế quá trình ô-xy hóa NH3; NH3/NH4+ → NO2 → NO3

Lượng ô-xy hòa tan tới hạn cho quá trình nitrate hóa = 0.2mg/l.

pH tối ưu: 7.5 đến 8.5.

Giá trị pH càng cao thì càng tốt nhờ vào sự sản sinh a-xít.

Các hợp chất độc tính cao gây ức chế sự nitrate hóa:

• Thiorea
• Cyanide
• Phenols
• Aniline
• ÁNH SÁNG – có thể gây ức chế lên Nitrosomonas 20 – 100% và Nitrobacter 33%. Sự xáo trộn của chất rắn lơ lửng trong nước thải giúp loại trừ mối nguy này.

Những yêu cầu về hệ thống cho quá trình nitrate hóa (nhà máy xử lý nước thải công nghiệp)

Bùn hoạt hóa

• pH 6.5-8.0, 7.0-7.5 tối ưu cho chất rắn lơ lửng
• Nhiệt độ: 10 – 38 oC, 30 oC là nhiệt độ tối ưu.
• Chỉ số nhu cầu ô-xy sinh học (BOD) đầu ra < 30 mg/l.
• Chỉ số nhu cầu ô-xy hóa học (BOD) đầu ra
• Tổng lượng các-bon hữu cơ đầu ra < 45mg/l. Chất rắn lơ lửng trong nước thải (MLSS) > 2500 mg/l.
• Tuổi thọ của bùn (thời gian lưu của chất rắn) > 15 ngày, tối ưu là từ 40-60 ngày.
• Ô-xy hòa tan > 2.0, và từ 2.0 đến 4.0 trong chất thải dễ bị sốc hữu cơ.

Phá sục khí

Tương tự như trên. Ngoại trừ hàm lượng chất rắn lơ lửng MLSS < 100 mg/L, thời gian lưu của chất rắn MCRT = thời gian lưu thủy lực HRT, giá trị thời gian lưu này phải cao hơn 5-15 ngày.

Đĩa quay sinh học (RBC)

Tương tự hữu cơ đầu ra, các chỉ tiêu giống như bùn hoạt hóa, tải < 2.5 GPD/SF

Các chủng vi sinh chuyển hóa ni-tơ chứa màng tế bào cyto, là phần mở rộng thêm của màng tế bào tách biệt khỏi thành tế bào và hướng về tế bào chất. Tồn tại các điểm hoạt hóa cho quá trình ô-xy hóa ion a-mô-ni và nitrite.

Điểm hoạt hóa nằm trên màng tế bào cyto của Nitrosomonas và Nitrobacter tại đó ion a-mô-ni và nitrite lần lượt tương tác với các en-zim cung cấp ô-xy cho những ion này.

Ô-xy: Oxygen: Vi sinh chuyển hóa ni-tơ là các vi sinh hiếu khí bắt buộc, nghĩa là chúng cần ô-xy phân tử dạng tự do và chúng sẽ bị chết trong điều kiện yếm khí. Sự nitrate hóa cực đại diễn ra khi hàm lượng ô-xy hòa tan D.O đạt mức 3mg/l. Sự nitrate hóa đáng kể diễn ra khi hàm lượng ô-xy hòa tan D.O đạt mức từ 2.0 đến 2.9 mg/l. Sự nitrate hóa dừng lại khi hàm lượng ô-xy hòa tan D.O nhỏ hơn 0.5 mg/l. Khoảng 4.6 kg ô-xy cần phải cung cấp để ô-xy hóa một kg ion a-mô-ni thành nitrate (so với yêu cầu 1kg ô-xy để ô-xy hóa 1 kg BOD các-bon). Trường hợp thiếu ô-xy dưới 4 tiếng đồng hồ không gây ảnh hưởng lên các chủng vi sinh chuyển hóa ni-tơ. Để đảm bảo quá trình nitrate hóa hiệu quả, cần duy trì hàm lượng ô-xy hòa tan D.O of ≥1.5 mg/l hoặc từ 2-5 mg/l;

Nhiệt độ: Nitrate hóa là quá trình rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ tối ưu ở khoảng 30 oC.

Đây là sơ đồ chi tiết để dự đoán sự ức chế có thể diễn ra tại các điểm tương ứng với hàm lượng tới hạn nào của NH3 và NO2. Đường liền mạch biểu thị hàm lượng tới hạn cụ thể của NH3 tương ứng tổng lượng ni-tơ a-mô-ni-ắc và pH. Đường chấm gạch biểu diễn hàm lượng NO2 tương ứng với tổng lượng NO2 và pH. Khi hàm lượng NH3 nằm trong khoảng từ 10mg/L đến 150mg/L, hiện tượng ức chế phản ứng ô-xy hóa a-mô-ni-ắc xảy ra. Khi hàm lượng NH3 nằm trong khoảng 0.1 đến 1 mg/L, hiện tượng ức chế các chất ô-xy hóa nitrite cũng xảy ra. Tương tự như vậy đối với HNO2, hiện tượng ức chế quá trình nitrate hóa xảy ra khi hàm lượng nằm trong khoảng 0.2 mg/L đến 2.8 mg/L. Chỉ khi tiệm cận hoặc nằm trong vùng 3 (Zone 3), vùng tổ hợp của pH, tổng lượng a-mô-ni-ắc và tổng lượng NO2, thì sự ức chế không xảy ra. Lưu ý rằng những ức chế này là không hoàn toàn, nhưng tăng từ từ và tách khỏi mức NH3, NO2 mục tiêu.