Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã khuyến cáo nồng độ nitrat trong nước uống phải thấp hơn 10 mg/L sẽ không gây hại sức khỏe con người. Các phương pháp phổ biến nhất để xử lý nitrat trong nước thải bao gồm khử nitrat bằng vi sinh vật, trao đổi ion, thẩm tách điện, thẩm thấu ngược, sắt không hóa trị và magiê hóa trị không. Trong các phương pháp này, xử lý sinh học có hiệu quả cao hơn nhiều. Chi phí thấp hơn và dễ thực hiện hơn so với các phương pháp hóa lý để khử nitrat khỏi nước thải và nước ao. Vậy quá trình amon hóa là gì? Quá trình amon hóa ảnh hưởng như thế nào đến độ kiềm? Làm sao để quá trình nitrat hóa được hiệu quả? Cùng chúng tôi tìm hiểu ngay nhé!
Quá trình amon hóa là gì?
Quá trình amon hóa hay quá trình khử nitrat là quá trình chuyển đổi Nitrat (NO3) thành khí nitơ (N2) nhờ vi khuẩn nitrat hóa trong môi trường ít oxy. Khử nitrat xảy ra khi lượng oxy bị cạn kiệt và nitrat (NO3) trở thành nguồn oxy chính cho vi sinh vật sử dụng. Quá trình được thực hiện trong điều kiện thiếu khí. Nghĩa là nồng độ oxy hòa tan nhỏ hơn 0,5 mg/L, lý tưởng là nhỏ hơn 0,2. Khi vi khuẩn phân tách nitrat (NO3) để lấy oxy (O2), nitrat (NO3) bị khử thành khí nitơ (N2).
Vì khí nitơ không hòa tan trong nước nên nó thoát ra ngoài khí q+uyển dưới dạng bong bóng khí. Lúc này quá trình xử lý Nitơ được xem là hoàn tất vì khí N2 thoát ra ngoài môi trường không gây hại.
Quá trình nitrat hóa trong xử lý nước thải là như thế nào?
Quá trình nitrat hóa là quá trình xử lý amoni trong nước thải nhờ các vi khuẩn sống trong đất, chủ yếu là nitrosomonas và nitrobacter. Vi khuẩn này chuyển đổi amoni thành nitrit. Sau đó, vi khuẩn nitrobacter sẽ oxy hóa nitrit thành nitrat.
Nitơ hữu cơ trước tiên phải được chuyển thành amoni để bị nitrat hoá. Nếu không được chuyển thành amoni, nitơ hữu cơ đi qua hệ thống xử lý sẽ không thay đổi. Quá trình này được mô tả như sau:
Phương trình đệm kiềm
H20 + CO2 <—-> H2CO3 <—-> HCO3 + H+ <—-> CO3 + 2H+
Chu trình Nitrat hóahư
NH4+ + 1.5O2 —-> 2H+ + 2H2O + NO2-
NO2- + 0.5O2 —-> NO3-
NH4+ + 1.83 O2 + 1.98 HCO3- —-> 0.021 C5H702N + 0.98 NO3- + 1.041 H2O + 1.88 H2CO3-
NH4+ + 1.9O2 + 2HCO3- —-> 1.9 CO2 + 2.9 H2O + 0.1 CH2
Từ các phương trình trên, có thể tính toán rằng trong mỗi pound ammonia (NH4) bị oxy hóa thành nitrat (NO3), xảy ra những điều sau đây: 4.18 pound oxy được tiêu thụ và 7.14 pound kiềm được tiêu thụ (canxi cacbonat (CaCO3)) – hoặc – 12 pound kiềm được đo bằng sodium bicarbonate (NaHCO3).
Vi khuẩn tham gia vào quá trình amon hóa
Vi khuẩn có tên Nitrosomonas (và những vi khuẩn khác) chuyển đổi ammonia (NH4) nitrit (NO2). Tiếp theo, vi khuẩn có tên Nitrobacter (và những vi khuẩn khác) kết thúc việc chuyển đổi nitrit (NO2) thành nitrat (NO3). Các phản ứng diễn ra kết hợp và đồng thời để nhanh chóng chuyển thành nitrat (NO3). Do đó, nồng độ nitrit (NO2) tại bất kỳ thời điểm nào thường dưới 0,5 mg/L.
Những vi khuẩn này được gọi là “nitrifiers”, là những “aerobes” (vi khuẩn hiếu khí). Chúng cần phải dùng oxy hòa tan để thực hiện quá trình này. Quá trình này chỉ xảy ra trong điều kiện hiếu khí với khả năng khử oxy hóa đủ. Nitrat hóa đòi hỏi thời gian lưu lâu, tỷ lệ F:M thấp, thời gian lưu trữ tế bào trung bình cao (được đo bằng MCRT hoặc Tuổi bùn) và độ đệm thích hợp (độ kiềm). Nhiệt độ, như được thảo luận dưới đây là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa.
Quá trình amon hóa ảnh hưởng như thế nào đến độ kiềm?
Đối với nước thải có hàm lượng Amoni cao, độ kiềm là điều rất quan trọng để thực hiện quá trình Nitrat hóa. Tốc độ kiềm giảm giúp ta suy đoán tốc độ Nitrat hóa. Trong khi tốc độ kiềm tăng có thể suy ra tốc độ khử Nitơ. Việc chênh lệch độ kiềm là do quá trình sinh học chuyển hóa của vi sinh vật trong bể nước thải.
Tại sao độ kiềm giảm trong bể hiếu khí?
Quá trình Nitrat hóa làm giảm độ kiềm do vi sinh vật Nitrat hóa sử dụng kiềm làm nguồn Cacbon để tăng trưởng và tổng hợp tế bào. Ngoài ra kiềm còn có tính khử axit Nitrit sinh ra trong quá trình oxy hóa Amoni. Vì vậy tốc độ giảm độ kiềm có thể biết được hiệu quả trong quá trình chuyển hóa amoni. Người vận hành thường không để ý đến yếu tố này nhưng đây cũng là cách hay để biết được amoni có được chuyển hóa hay không.
Theo thực nghiệm, để xử lý Amoni từ 40mg/L thì hàm lượng kiềm trong nước phải từ 280mg/L. Đơn vị độ kiềm thường dùng là mg/L CaCO3.
Tại sao độ kiềm tăng trong bể thiếu khí?
Ngược lại với quá trình Nitrat hóa hay oxy hóa Amoni. Trong bể thiếu khí, kết quả từ quá trình khử nitrat sinh ra các ion Hydroxyl (OH-). (OH-) được tạo ra càng nhiều thì độ kiềm và pH càng tăng. Điều này lý giải vì sao pH sau bể Anoxic thường ở khoảng 7.6. Mức độ tăng độ kiềm có thể chỉ ra các hoạt động của vi khuẩn khử Nitơ và hiệu quả quá trình khử nitơ trong bể anoxic.
Để xử lý Nitrat (NO3-) từ 30mg/L thì độ kiềm trong nước cần phải từ 100mg/L.
Làm sao để quá trình nitrat hóa được hiệu quả?
Thông thường bạn hay nghe đến hai chủng nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Đây là hai chủng cho hiệu quả cao nhưng sinh sản chậm và chỉ sống được ở dạng lỏng. Do đó nitrat hóa bằng vi khuẩn Pseudomonas là một xu thế được ứng dụng nhiều hiện nay.
Những vi khuẩn này, được gọi là “chất nitrat hóa”, là “vi khuẩn hiếu khí”, nghĩa là phải có oxy hòa tan để chúng thực hiện công việc của mình. Quá trình nitrat hóa hiệu quả chỉ xảy ra trong điều kiện hiếu khí với thế oxy hóa khử đủ dương.
Quá trình nitrat hóa đòi hỏi thời gian lưu nước lâu, tỷ lệ thức ăn và vi sinh vật thấp (F/M), thời gian lưu bùn trung bình của tế bào cao (được đo bằng MCRT hoặc Tuổi bùn) và đệm đầy đủ (độ kiềm). Nhiệt độ, như được thảo luận dưới đây, cũng đóng một vai trò.
Có 4 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa nước thải là nhiệt độ, độ pH, nồng độ Oxy hòa tan và tuần hoàn nước bể hiếu khí Aerotank.
Do đó việc cần làm là :
1. Đảm bảo lượng oxy hòa tan <0.5mg/L
Vi khuẩn khử nitrat sẽ dùng oxy hòa tan hoặc nitrat (NO3). Nếu có oxy hòa tan và nitrat (NO3), vi khuẩn sẽ sử dụng oxy hòa tan trước và sẽ không khử nitrat (NO3). Do đó cần đảm bảo oxy hòa tan ít hoặc không có (<0.5mg/L). Quá trình khử nitrat chỉ xảy ra trong điều kiện thiếu khí (thiếu oxy).
2. Duy trì độ pH là 7,5 và độ kiềm là 80 mg/L
Để quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả, bạn cần độ pH thích hợp cho vi khuẩn nitrat hóa. Mỗi mg/L amoni chuyển hóa thành nitrat tiêu thụ 7,1 mg/L độ kiềm. Cách ít tốn kém nhất để thêm kiềm là tạo ra nó trong quá trình khử nitơ. Quá trình khử nitơ làm tăng thêm khoảng 50% lượng kiềm bị loại bỏ trong quá trình nitrat hóa.
3. Bổ sung thêm mật đường hoặc nguồn Carbon
NO3 cao nghĩa là bạn cần phải bổ sung thêm Carbon để cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh theo tỉ lệ C:N:P 100:5:1. Quá trình khử NO3 phụ thuộc vào vi sinh vì vậy phải tạo điều kiện cho nó phát triển. Thông thường 100m3/ngày thì bổ sung khoảng 2-5kg mật rỉ đường.
THAM KHẢO : NGUỒN DINH DƯỠNG CARBON CHO VI SINH XỬ LÝ NƯỚC THẢI
4. Tuần hoàn nước từ bể hiếu khí Aerotank
Tuần hoàn nước từ 1.5 – 2Q, nghĩa là tuần hoàn nước liên tục từ bể hiếu khí Aerotank về bể Anoxic. Nếu NO3 cao trên 50mg/L bạn nên tuần hoàn khoảng 150% lưu lượng để quá trình khử NO3 được hoàn thiện. Nếu không bể lắng sẽ có hiện tượng nổi bùn trên bề mặt và làm mất bùn vi sinh.