Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử nitơ trong nước bằng phương pháp sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

Nguyễn Viết Thành

Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử Nitơ trong
nước bằng phương pháp sinh học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Công nghệ môi trường

Hà Nội – 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

Nguyễn Viết Thành

Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử Nitơ trong
nước bằng phương pháp sinh học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Công nghệ môi trường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐẶNG XUÂN HIỂN

Hà Nội - 2005

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

CHNG 1.
TNG QUAN V NIT
1. 1.CC DNG NIT TRONG T NHIấN
1.1.1. Nit trong a quyn
Nit l nguyờn t a lng rt cn cho mi vi sinh vt, khụng cú nit thỡ
khụng cú bt k mt t bo ng, thc vt no. Trong t hp cht cha Nit
cú hoỏ tr 3 v +5. Hp cht cú mc oxy hoỏ khỏc nhau ca Nit c
gp vi s lng nh. Amoniac dng t do thc t trong t khụng gp, nú
l sn phm khi phõn gii cht hu c, c ho tan nhanh vo nc
NH3 + H2O NH4+ + OHDng Nit khoỏng trong t ngoi NH4+, NO3-, NO2- cũn gp cỏc Nit
oxit. Hm lng d tiờu ca chỳng nh, ch chim 1 3% so vi Nit tng.
Quỏ trỡnh khoỏng hoỏ cỏc hp cht hu c cha Nit thnh nit dng NH 4+
gi l quỏ trỡnh amon hoỏ do vi sinh vt d dng (vi khun hoc nm) thc
hin. ú l bc th nht trong quỏ trỡnh khoỏng hoỏ cú th minh ha nh
sau:
C2H5NO2 + 3O2 + H+ 2CO2 + NH4+ + H2O
NH4+ c hỡnh thnh cú th b hp th bi keo t v mt phn dung
dch th cõn bng. ng thi NH4+ cng cú nhu cu cho cỏc c th d dng
khỏc sinh trng gi l quỏ trỡnh tỏi s dng hay ng hoỏ NH4+.
NH4+ hỡnh thnh cng c s dng bi cỏc vi sinh vt t dng (l
nhng vi sinh vt nhn nng lng t cỏc phn ng hoỏ hc ng hoỏ
CO2). Vi sinh vt ny chuyn hoỏ NH4+ thnh NO2- v NO3- gi l quỏ trỡnh
Nitrat hoỏ. NO3- c to ra l mt anion khụng b gi bi keo t, tn ti rt
linh ng trong dung dch d mt khi t do ra trụi. To ra NO 3- cng l

tin cho quỏ trỡnh phn nitrat hoỏ. Mt Nit do quỏ trỡnh phn nitrat hoỏ

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

1


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

c thc hin do vi khun k khớ s dng NO3- nh cht nhn sn phm cui
cựng (thay th cho O2) to ra sn phm cui cựng l N2. [10]
Trong t cng thng xuyờn xy ra quỏ trỡnh c nh Nit sinh hc.
Theo Postgate (1978) hng nm xõm nhp vo sinh quyn t khớ quyn
200Mt (mega tn) nit so vi sn xut phn Nit ton cu l 30 Mt. C nh
Nit sinh hc l quỏ trỡnh vi sinh vt s dng nng lng d tr ca sn phm
quang hp ng hoỏ N2 thnh NH3:
N2 + 3H2 2NH3
Nit l mt trong cỏc nguyờn t a lng bin i phc tp trong t cú
ý ngha nht i vi phỡ ca t v c v khớa cnh mụi trng.
1.1.2. Nit trong khớ quyn
Phõn t Nit l thnh phn chớnh trong khớ quyn, di tỏc dng ca cỏc
tia súng rt ngn ( < 100 nm) cú th xy ra cỏc phn ng quang hoỏ phc tp
vi s to thnh nguyờn t nit hot hoỏ nh sau:
N2

h

N2+ + e-

N2+ + O2 NO+ + NO
NO+ + e- N0 + O
Xột v phng din hoỏ hc khớ quyn ca nit thỡ NO v NO2 cú mt ý
ngha rt ln. Nú xut hin do quỏ trỡnh oxy hoỏ N2 vi O2 di nh hng
ca vic phúng in trong khớ quyn:

N2 + O2

Phúng in

2NO

Q, t0 cao

Mt khỏc b mt trỏi t N2O sinh ra do kt qu ca cỏc hot ng vi
sinh (quỏ trỡnh phõn hu cỏc cht hu c bng vi khun trờn b mt trỏi t,

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

2


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

quỏ trỡnh kh nitrat bng sinh hc). Khi N2O khuych tỏn lờn tng bỡnh lu v
hp th cỏc tia t ngoi súng ngn thỡ ta cú chui phn ng sau: [1]
N2O

NO + N

N2O + O

2NO

N2O + O

N2 + O2

Vic oxy hoỏ NO thnh NO2 nh oxy phõn t tin hnh tng i chm
2NO + O2

2 NO2

K = 2.10-38 cm3s-1
Nhng vi cỏc cht cú tớnh ụxy hoỏ mnh nh O3, HO2- hoc gc RO2- tng
bỡnh lu NO d dng chuyn thnh NO2:
NO + O3

NO2 + O2

NO + HO2-

NO2 + OHO

NO cú th tham gia phn ng vi gc OHO:
NO + OH

HNO2

Cui cựng cỏc phn ng s kt thỳc khi NO2 phn ng vi gc OHO cho
HNO3 hoc vi mt s cht hot tớnh HO2, NO2 v peroxyacylnitrat C2H3O5N
(PAN) l nhng cht gõy n mũn mnh, mt phn tan trong nc v theo ma
ri xung tng bỡnh lu:
NO2 + OHO HNO3
NO2 + HO2 HO2NO2
3NO2 + H2O 2 HNO3 + NO
N2O5 + H2O 2 HNO3 (to ma axớt)
iu ny chng t HNO3 l nguyờn nhõn lm gim tm thi NO2 trong
khớ quyn tng bỡnh lu. Khi ma ri xung t s to Nitrat, quỏ trỡnh kh

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

3


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

nitrat bng phng phỏp sinh hc s sinh ra N2 v li i vo trong khớ quyn
to thnh vũng tun hon Nit trong khớ quyn.
1.1.3. Nit trong thu quyn
1.1.3.1. Nit trong nc thiờn nhiờn
Cỏc hp cht cha Nit xõm nhp vo nc thiờn nhiờn t cỏc cht
thi sinh hot v cụng nghip cú cha cht hu c ch yu l protein. Protein
(hp cht cú cha Nit) vi tỏc dng ca vi khun bin thnh ion amoni
(NH4+). Ion amoni di tỏc dng ca vi sinh vt t dng hiu khớ

Nitromonas c chuyn hoỏ thnh NO2-. n lt NO2- di tỏc dng ca vi
sinh vt t dng hiu khớ Nitrobacter c chuyn hoỏ thnh NO3-. [1]

Nitrosomonas
NH4+ +1.5 O2

NO2-+ 0.5 O2

2H+ + H2O + NO2Nitrobacter

NO3-

NO3- l cht phỳ dng cho t v cõy xanh. Ngoi quy trỡnh trờn, NO 3 cũn
c b xung vo nc thiờn nhiờn do trong khụng khớ cha 72% Nit (N),
khi gp cỏc ỏm mõy tớch in, Nit b oxy hoỏ thnh N 2O5; N2O5 kt hp vi
hi nc to thnh axit nitric HNO3 cú trong nc ma. T cỏc kt qu
nghiờn cu ó ghi nhn vi lng ma trung bỡnh, mi nm nc ma cú th
b sung thờm 12kg NO3 cho mt ha t. Cỏc ngun phõn bún hoỏ cht NPK
l ngun b xung NH4+, NO3 cho ngun nc mt v nc ngm.
I.1.3.2 Cỏc dng nit trong nc thi:
Nit cú kh nng tn ti by dng ụxy hoỏ khỏc nhau cú hoỏ tr t 3 n
+ 5, vỡ vy nú to thnh rt nhiu hp cht. Trong nc thi Nit cú th thy
bn dng: Nit hu c, NH4+, NO2, v NO3. Trong nc thi, u tiờn Nit s
kt hp vi cỏc vt cht protein va ure nh l cỏc nit hu c. S phõn hu

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

4

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

bi cỏc vi khun d dng c bit n nh l s amon hoỏ chuyn hoỏ nit
t dng Nit hu c sang amoni.
NH4+ Cú th tn ti trong dung dch c hai dng. ion Amonium v
Amonia khụng ion hoỏ. Mi quan h gia hai dng ph thuc vo pH v
cú th biu hin theo cụng thc sau:
NH3 + H2O NH4+ + OHAmoni t do hoc khụng b ion hoỏ cú nng trờn 0.2 mg/l s gõy hu
qu cho mt s loi cỏ c bit. Nm 1972 Cỏc nh bỏc hc vin hn lõm
Quc gia ó khuyờn rng nng moni t do trong nc cp khụng c quỏ
0.02 mg/l m bo an ton. Tớnh c ca Amoniac s khụng cú vn gỡ
trong nc cú pH di 8 v nng ca ammoniac nitrogen (NH 4+-N)
khụng quỏ 1 mg/l.
Nitrite nitrogen (NO2--N) l hp cht khụng bn v d b oxy hoỏ thnh
nitrate nitrogen (NO3--N). Nú s tn ti di dng hp cht trung gian trong
sut quỏ trỡnh oxy hoỏ Ammoniac nitrogen (NH4+-N)

thnh nitrate

nitrogen(NO3--N). Nu trong nc thi, nng ca nú thng khụng quỏ
1,0 mg/l. trong mt s loi nc thi cụng nghip cú cha nng nitrite
nitrogen mc ỏng k.
Nitrate nitrogen(NO3--N) cú kh nng oxy hoỏ to thnh Nitrogen.
Nitrate l mt cht dinh dng gii hn quan trng cho s phỏt trin ca to,
tuy nhiờn khi hm lng ca nú vt quỏ gii hn cho phộp, nú gúp phn gõy
ra hin tng phỡ dng trong dũng sui v h. Chớnh vỡ vy, trong bt k
trng hp no, nú ch c x vi gii hn cho phộp khụng gõy nh
hng n s phỏt trin quỏ mc ca to. Trong trng hp l nc cp sinh

hot, nng cho phộp ti a ca nitrate l 10 mg/l.
1.2. CHU TRèNH CHUYN HO NIT TRONG T NHIấN V
TRONG NC.
Chu trỡnh Nit trong t nhiờn c thc hin bi 4 quỏ trỡnh c bn
chớnh nh sau: quỏ trỡnh c nh Nit, quỏ trỡnh amon hoỏ, quỏ trỡnh nitrat hoỏ
Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

5


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

v quỏ trỡnh kh nitrat hoỏ. Hỡnh 1.1 mụ t cỏc quỏ trỡnh quan trng nht ca
vũng tun hon nit trong t nhiờn. Bờn cnh quỏ trỡnh oxy hoỏ kh v nhng
phn ng axit baz l nhng quỏ trỡnh hoỏ hc ni hoc phõn tỏch liờn kt NC. Cỏc phn ng thu phõn ure v ụxy hoỏ vi sinh NH4+ trong quỏ trỡnh amon
hoỏ u cú th b hn ch bi hng lot cỏc cht khỏc nhau v ngi ta ó ng
dng cỏc c im ny s dng tt hn cỏc loi phõn bún cú cha Nit.
Cỏc quỏ trỡnh nitrit v nitrat hoỏ s b nh hng bi cỏc vi khun hoỏ sinh
bi vỡ chỳng s dng nng lng ng hoỏ CO2 hoc HCO3- ho tan. Quỏ
trỡnh bin i Nit (Nitrat hoỏ) bin i Nit vụ c thnh NO 3-. Quỏ trỡnh kh
nitrat hoỏ vi s cú mt cỏc vi khun him khớ, d th tỏc ng ti N- NO3di nhng iu kin khụng cú ụxy. Sn phm kh to thnh l N 2, N2O. Quỏ
trỡnh c nh nit l quỏ trỡnh nit khụng khớ c c nh vo thc vt bi
cỏc vi sinh vt c nh nit thụng qua dng amon. Cỏc protein trong mựn thc
vt sau ú li b phõn hu thnh amino axit amoni cỏc dng nit vụ c
khỏc. Quỏ trỡnh ny c xem nh l Nit dng vụ c trong khụng khớ i vo
h sinh vt ri cui cựng li chuyn hoỏ v dng vụ c.

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

6


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành
Hỡnh 1.1. Vũng tun hon ca Nit

1.3. NH HNG CA NGUN NC B NHIM NIT TI MễI
TRNG V SC KHO CNG NG
Nc thi cha nhiu hp cht Nit khụng c x lý m thi trc tip
vo mụi trng s gõy ra nhng nh hng nghiờm trng nh sau:
- Lm ụ nhim ngun nc mt
- Lm cn kit ụxy ho tan trong nc
- Gõy nờn hin tng phỡ dng trong h sinh thỏi nc
- Gõy c i vi qun th sinh vt trong nc
- Gõy ụ nhim nc ngm
Hin tng phỡ dng trong nc hay cũn gi l hin tng thu triu
, chớnh l s d tha cỏc cht dinh dng N, P, K trong nc dn ti s
phỏt trin bựng n ca to v cỏc ng vt thu sinh trong nc. S phỏt trin
ca to v ng vt thu sinh s lm cho nc cú mu v c cao. To d
tha cht kt thnh khi trụi ni trờn mt nc, khi phõn hu phỏt sinh mựi v
lm gim nng ụxy ho tan trong nc, nh hng trc tip n i sng
ca mt s loi cỏ.
Amoniac tn ti trong nc dng NH4+. Nú c sinh ra t s thu
phõn cỏc hp cht hu c cha nit, protein, ure v axit uric do ng vt thi
ra. NH4+ cú mt trong nc thi gúp phn ỏng k trong vic lm gim lng
ụxy ho tan trong nc.
Hm lng NH4+ trong nc sinh hot cao s kt hp vi clo to ta

cloramin l tỏc nhõn lm gim quỏ trỡnh kh trựng ca nc bng clo.
NO3- sn phm oxy hoỏ ca amoni khi tn ti oxy v cỏc vi sinh vt
Nitrosomonas v Nitrosobacter, thng gi quỏ trỡnh ny l quỏ trỡnh nitrat
hoỏ. Trong nc t nhiờn nng nitrat nh hn 5mg/l, vựng nc b ụ
nhim do cht thi ca con ngi, ng vt, thc vt lng nitrat trong nc
ln hn 10 mg/l lm cho rong to phỏt trin gõy ụ nhim ngun nc. Khi

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

7


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

nng nitrat t 90 104 mg/l s l nguyờn nhõn gõy nờn bnh methomoglobinemia cho tr nh di 4 thỏng tui.
1.4. CC PHNG PHP X Lí NIT TRONG NC.
1.4.1. Phng phỏp clo hoỏ n im t bin
Clo l mt cht oxy hoỏ mnh, bt c dng no, nguyờn cht hay hp
cht khi tỏc dng vi nc u to ra phõn t axit hypoclorit HClO. HClO l
cht duy nht cú kh nng oxy hoỏ NH3 v NH4+ nhit phũng thnh N2.
Quỏ trỡnh ny bao gm mt chui cỏc phn ng phc tp to ra cỏc sn phm
trung gian nh monochloramin (NH2Cl), dichloramin (NHCl2) v amonium
trichloride (NCl3).
Khi cho clo vo nc ta cú phn ng sau:
Cl2 + H2O

HCl + HClO

Axit hypoclorit kt hp vi NH4+ to thnh cloramin. Khi nhit ca nc
ln hn 200C v pH >7 phn ng xy ra nh sau:
NH3 + HClO NH2Cl + H2O (monochloramin)
NH2Cl + HClO NHCl2 + H2O (dichloramin)
NHCl2 + HClO NCl3 + H2O (amonium trichloride)
Khi cho clo vo nc vi liu lng ln hn theo t l trng lng phõn t
gam. Cl: NH4+ = 1:1 (7,6 mg clo cho 1 mg NH4+) thỡ quỏ trỡnh chuyn hoỏ
NH4+ v clo t do thnh chloramin sau 30 phỳt. Khi cho tip clo vo nc vi
liu lng Cl : NH4+ 2 thỡ axớt hypoclorit s oxy hoỏ tip cloramin theo
phn ng: [5][11]
NH2Cl + NHCl2 + HClO N2O + 4HCl
NHCl2 + HClO NH(OH)Cl + HCl
NHCl2 + HClO NCl3 + H2O
NH(OH)Cl + HClO HNO3 +3 HCl
Quỏ trỡnh kt thỳc sau 30 phỳt khuy trn nh. Ti im oxy hoỏ ht cloramin
v trong nc xut hin im clo t do gi l im t bin. Sau khi kh ht

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

8


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

NH4+ trong nc cũn li im clo d ln (khong 10 - 7.6 = 2.4 mg clo d
cho 1 mg NH4+ cn kh) phi kh clo d trc khi cp cho ngi tiờu th.
u nhc im ca phng phỏp:
u im:

- n gin, r tin v mt thit b.
- Kim soỏt c quỏ trỡnh.
- Cú th kt hp vi quỏ trỡnh kh trựng nc.
- Thit b gn nh khụng tn mt bng.
Nhc im:
- Chi phớ vn hnh cao.
- Phi kh clo d trc khi tiờu th.
- Khụng kh c dng NO2- v NO3-.
- To ra cỏc sn phm ph cú hi. Vớ d nh to thnh amonium
trichloride dng khớ c thi vo mụi trng.
1.4.2. Phng phỏp lm thoỏng
Amoni tn ti trong nc thiờn nhiờn trng thỏi cõn bng ng
NH 3
NH 4+

= K.10 pH

hoc trong nc nhit 200C:
NH 3
NH 4+

= 109.25+ pH

Trong ú:
NH3 dng khớ cú th lm thoỏng kh ra khi nc.
NH4+ dng ion ho tan khụng bay hi.
K: Hng s cõn bng.
Nh vy mun kh NH4+ ra khi nc bng phng phỏp lm thoỏng
phi a pH ca nc ngun lờn xp x 9,5 11 bin NH4+ ho tan trong
nc thnh NH3 dng khớ. Hiu qu x lý ca phng phỏp ny ph thuc rt

nhiu vo nhit . Khi tng nhit : h s bc hi ca khớ tng nhanh,
Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

9


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

nht ca nc gim, sc cng b mt ca cỏc git nc v mng nc gim,
to iu kin d dng cho quỏ trỡnh thay i b mt tip xỳc gia hai pha v
khng ch lm tng nhanh hiu qu kh khớ. [11]
u im:
- n gin. chi phớ vn hnh thp.
- Cú th kim soỏt quỏ trỡnh.
- Khụng to ra cht ụ nhim trong nc.
Nhc im:
-

Khụng kh c dng NO2- v NO3-

- To thnh NH3 dng khớ gõy ụ nhim khụng khớ.
- Ph thuc nhiu vo nhit .
- Hiu sut x lý thp.
1.4.3. Phng phỏp trao i ion.
Quỏ trỡnh trao i ion l mt quỏ trỡnh thun nghch trong ú xy ra phn
ng trao i gia cỏc ion trong dung dch in ly vi cỏc ion trờn b mt pha
rn tip xỳc vi nú. Quỏ trỡnh trao i ion tuõn theo nh lut bo ton in
tớch, phng trỡnh trao i ion c mụ t tng quỏt nh sau:

AX + B- AB + XPhn ng trao i ion l phn ng thun nghch, chiu thun c gi l
phn ng trao i, chiu nghch gi l phn ng tỏi sinh. Mc trao i ion
ph thuc vo: nhit , kớch thc, hoỏ tr, nng ca ion trong dung dch
v bn cht ca ion trao i. Nha trao i ion dng rn c dựng thu
nhng ion nht nh trong dung dch v gii phúng vo dung dch lng
tng ng cỏc ion khỏc cú cựng in tớch. kh NH4+ ra khi nc ngi
ta thng dựng phng phỏp lc qua b lc cationit. Nha trao i ion
(cationit) l nhng hp cht phõn t hu c cú cha cỏc nhúm chc cú kh
nng trao i vi cụng thc chung l RX. Trong ú X cú th l HSO 3, COO, R l gc hu c phc tp. Khi qua b trao i ion xy ra cỏc phn ng
trao i sau:
Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

10


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

Cat-H+(Na+) + NH4+ Cat-NH4+ + H+ (Na+)
V mt c ch, quỏ trỡnh trao i ion gia mt cht rn xp (trao i ion)
tri qua cỏc giai on sau:
1. Di chuyn ion A t nhõn ca dũng cht lng ti b mt ngoi ca lp
biờn mng cht lng bao quanh ht trao i ion.
2. Khuych tỏn cỏc ion qua lp biờn gii.
3. Chuyn cỏc ion ó qua biờn gii phõn pha vo ht nha trao i.
4. Khuych tỏn ion A bờn trong ht nha trao i ti cỏc nhúm chc
nng trao i ion.
5. Phn ng hoỏ hc trao i ion A v B.
6. Khuych tỏn cỏc ion B trong ht nha trao i ion ti biờn gii phõn

pha.
7. Chuyn cỏc ion B qua biờn gii phõn pha b mt trong ca mng
cht lng
8. Khuych tỏn cỏc ion B qua mng.
9. Khuych tỏn cỏc ion B vo nhõn dũng cht lng. [2]
Cỏc cht trao i ion cú sn trong t nhiờn nh cỏc loi khoỏng sột zeolit
hoc cỏc cht vụ c nh alumino silicat, alumino photphat hoc mt s loi
nha hu c trao i ion. Trờn th trng hin nay cú bỏn loi cationnit vi
tờn gi clinoptilotile cú kh nng trao i chn lc cỏc cation theo th t sau:
K+ > NH4+ > Ba2+ > Na+ > Ca2+ > Fe3+ > Mg2+ > Li+
Nh vy nu cho nc i qua b lc cationit loi clinoptilotile thỡ lp lc
s gi li cỏc Cation K+, NH4+ , Ba2+ ho tan trong nc trờn b mt ht v
cho vo nc ion Na+. kh NH4+ phi gi pH ca nc u vo trong
khong t 4 8. Vỡ khi pH 4 ht lc cationit s gi li c ion H+ lm gim
hiu qu kh NH4+ . Khi pH > 8 mt phn ion NH4+ chuyn thnh NH3 dng
khớ ho tan khụng tỏc dng vi cationnit.
u nhc im ca phng phỏp.
u im:
Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

11


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

- iu kin vn hnh n gin.
- Hiu sut x lý cao.
- Cú kh nng hon nguyờn nha cationit.

Nhc im
- Chi phớ ban u cao.
- Khụng ỏp dng vi ngun nc cú nhiu cn l lng.
1.4.4 Phng phỏp ozon hoỏ vi xỳc tỏc Br khc phc nhc im ca phng phỏp clo hoỏ n im t bin
ngi ta cú th thay th mt tỏc nhõn ụxy hoỏ khỏc nh ozon vi s cú mt
ca xỳc tỏc Br- .C ch ca phng phỏp x lý NH4+ bng ozon vi xỳc tỏc
Br- cng ging nh phng phỏp x lý dựng clo. Di tỏc dng ca O 3 thỡ Brb ụxy hoỏ thnh BrO- theo phn ng sau: [11]
Br- + O3 HBrO + O2
Phn ng ụxy hoỏ NH4+ c thc hin bi BrO- tng t nh ClONH3 + HBrO NH2Br + H2O
NH2Br + HBrO NHBr2 + H2O
NH2Br + NHBr2 N2 + 3HBr
1.4.5. Phng phỏp sinh hc
x lý nit trong nc cú rt nhiu phng phỏp khỏc nhau v c
thc hin bng nhiu quỏ trỡnh hoỏ hc, vt lý khỏc nhau nhng phng phỏp
x lý Nit bng phng phỏp sinh hc l phng phỏp ph bin nht v c
s dng rt rng rói. Tớnh ni bt ca phng phỏp ny l thc hin d dng,
x lý trit cỏc cht ụ nhim m khụng to ra cỏc cht ụ nhim th cp khỏc
sau quỏ trỡnh x lý. Phng phỏp x lý sinh hc c chia ra lm hai loi
chớnh l:
- X lý sinh hc trong iu kin t nhiờn (h sinh hc, cỏnh ng lc)
- X lý sinh hc bng phng phỏp nhõn to (SBR, biofin)

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

12


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

1.4.5.1 Phng phỏp x lý trong iu kin t nhiờn.
C s ca phng phỏp l da vo kh nng t lm sch ca nc, ch
yu l cỏc vi sinh vt sng trong nc v cỏc ng vt thu sinh. Cỏc cht bn
hu c cú trong nc c cỏc vi sinh vt phõn hu thnh cỏc cht khoỏng vụ
c. Quỏ trỡnh phõn hu bao gm c quỏ trỡnh phõn hu hiu khớ v phõn hu
thiu khớ. Trong thc t ngi ta thng x lý nc nhim Nit bng h hiu
khớ hoc tu tin. c im ca h ny l to v cỏc vi sinh vt khỏc cựng
sinh trng v phỏt trin trong mi quan h cng sinh. lp trờn, cỏc vi sinh
vt s s dng ụxy ho tan hụ hp, cỏc cht hu c cha nit s c vi
sinh vt ụxy hoỏ thnh CO2, H2O, NH4+,, NO3-, NO2- ch l quỏ trỡnh chuyn
tip sau khi sinh ra ngay lp tc b chuyn hoỏ thnh NO 3- . Cỏc cht ny s
c to s dng tng trng ng thi gii phúng oxy phc v cho
hot ng sng ca vi khun. Vỡ nit chim 8-10% thnh phn t bo ca to
nờn vic hp th nit ca to t nc thi l c ch quan trng loi b
ngun nit ụ nhim trong nc thi. [2]
I.4.5.2. X lý trong iu kin nhõn to.
Cỏc giai on bin i chớnh bao gm:
- Quỏ trỡnh nitrat hoỏ: xy ra cỏc phn ng sau:
Nitrosomonas
+

2H+ + H2O + NO2-

NH4 +1.5 O2
NO2-+ 0.5 O2

Nitrobacter

NO3-

- Tng hp quỏ trỡnh chuyn hoỏ NH4+ thnh NO3NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O
- Quỏ trỡnh phn nitrat hoỏ:
L s kh NO3- thnh N2 trong iu kin khụng cú ụxy theo quỏ trỡnh sau:
NO3- NO2- NO N2O N2

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

13


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

Phng phỏp sinh hc x lý nc trong iu kin nhõn to cú hai phng
phỏp chớnh l quỏ trỡnh lc sinh hc v k thut SBR.
a). Quỏ trỡnh lc sinh hc:
X lý Nit trong nc thi bng lc sinh hc l dng x lý hiu khớ,
trong ú cỏc tỏc nhõn sinh hc (vi sinh vt) to mng sinh hc bỏm trờn b
mt vt liu lc (mụi trng lc).
Nguyờn lý hot ng ca h thng lc sinh hc:
H thng lc sinh hc thng lm vic theo nguyờn tc ngc chiu:
- Nc thi c phõn phi u trờn b mt v thm qua lp vt liu cú
mng sinh hc.
- Lng oxy cn thit cho quỏ trỡnh ụxy hoỏ c cp vo h thng t ỏy
thit b mt cỏch t nhiờn hoc cp khớ cng bc.
C ch quỏ trỡnh lc sinh hc c minh ho bng hỡnh v:
Vt
liu

m

Vựng
ym
khớ

Vựng
hiu
khớ

CHC
cacbon

Khụng khớ
DO
Sn
phm
cui

Dũng nc thi

Hỡnh 1.2: C ch khuych tỏn qua mng sinh hc[2]
Mng sinh hc c hỡnh thnh ch yu l vi khun. Mc dự lp mng
ny rt mng, song cng cú hai lp: lp ym khớ sỏt b mt m v lp hiu
khớ ngoi. Thi gian lu ca mng thng t 10 14 ngy. Khi cỏc t bo
vựng ym khớ cht, mng s tỏch ra khi vt liu lc v cun theo nc. Lc
sinh hc thng cú hiu qu ụxy hoỏ thp, cỏc h thng lc ch cú th x lý
c nc thi cú hm lng cht ụ nhim <300mg/l. Tu theo tớnh cht

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

14


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

nc thi, bn cht cỏc cht ụ nhim c trng v vt liu lc m h thng cú
hiu qu ụxy hoỏ khỏc nhau.
Vt liu lc:
Vt liu lc giỳp mng sinh hc bỏm tt trờn b mt, to din tớch ụxy hoỏ
ln. m bo cho quỏ trỡnh t hiu qu cao v kinh t, vt liu lc c
chn phi ỏp ng c nhng yờu cu sau:
- Cú tớnh bn c, hoỏ hc cao.
- Cú b mt riờng ln, thoỏng cao.
- Cht liu cho mng sinh hc d bỏm dớnh v khụng nh hng ti cht
lng ca mng sinh hc.
- R tin, d kim.
b). Phng phỏp sbr(B aeroten khuy trn theo m).
x lý nc thi cha nit ngi ta thng x dng b aeroten khuy
trn hon chnh nuụi cy theo m. B aeroten khuy trn hon chnh l h
thng x lý bng cp khớ nhõn to. Trong quỏ trỡnh x lý, cỏc vi sinh vt sinh
trng, phỏt trin v tn ti trng thỏi huyn phự. Quỏ trỡnh x lý nc thi
c thc hin trong b ụxy hoỏ cú cp khớ. Vic xc khớ õy m bo hai
yờu cu ca quỏ trỡnh:
- m bo ụxy ho tan cao giỳp cho vi sinh vt thc hin quỏ trỡnh ụxy
hoỏ cỏc cht cú th ụxy hoỏ sinh hc c.
- Duy trỡ bựn hot tớnh trng thỏi l lng trong nc cn x lý, to ra hn

hp lng huyn phự, giỳp vi sinh vt tip xỳc liờn tc vi cỏc cht hu c ho
tan trong nc, thc hin quỏ trỡnh hiu khớ lm sch nc.
Khi x lý nc thi cha nit ngi ta cp khớ sao cho chia b aeroten
thnh cỏc vựng hiu khớ v thiu khớ. Vựng hiu khớ Aerobic kh BOD v
NH4+, vựng thiu khớ kh NO3- thnh khớ nit bay lờn xem s hỡnh 1.2
Hiu sut x lý nc thi trong b aeroten v cht lng bựn hot tớnh
ph thuc vo thnh phn v tớnh cht nc thi, iu kin thu ng hc cỏc

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội
Dũng thi

Vựng

Vựng

Vựng

Vựng

B lng 15


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

quỏ trỡnh khuy trn, nhit , pH ca nc thi, s tn ti cỏc nguyờn t
dinh dng v cỏc yu t khỏc.

Hỡnh 1.3. S cụng trỡnh x lý kt hp kh BOD, NH4+, NO3-[6]

Bng 1.1. u nhc im ca cỏc phng phỏp x lý nit.
Phng phỏp

u im

Nhc im

Clo hoỏ n

ễxy hoỏ hon ton NH4+

D lng clo sau x lý cao, to

im t bin

u t vn ban u thp, ra nhiu cht c hi th cp.
mt bng t thit b nh

Khụng ụxy hoỏ c NO2- ,
NO3-. Hiu qu ca quỏ trỡnh
ph thuc nhiu vo pH ca
nc thi.

Lm thoỏng

n gin, chi phớ u Khụng x lý c trit NH4+
vo thp. Cú th kim Khụng x lý c NO2- ,NO3soỏt i vi vic loi Phi kim soỏt pH thng
chn lc NH4+. Khụng xuyờn
to ra cht c trong Thng x lý kt hp vi vụi
nc khi x lý.

tng pH ca nc nờn cú
c cao.

Trao i ion

X lý trit amoni.

Nc thi u vo yờu cu phi

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

16


Luận văn thạc sĩ khoa học
Phng phỏp

Nguyễn Viết Thành
u im

Nhc im

D kim soỏt sn phm.

lc thng xuyờn
Chi phớ u t v vn hnh cao

Vi sinh

X lý hiu qu, cht Hot ng liờn tc, mt bng
lng nc sau x lý xõy dng ũi hi ln.
Hiu qu x lý ph thuc vo

cao.

Khụng to ra cht c hi nhiu yu t khỏch quan nh
th cp sau x lý.

pH, nhit .

CHNG 2.
C S Lí THUYT QU TRèNH X Lí NIT BNG
PHNG PHP SINH HC
Trong nc thi Nit tn ti 4 dng: Nit hu c, NH4+ , NO2, v NO3,
mun tỏch chỳng ra khi nc thi ta phi ỏp dng nhiu quỏ trỡnh x lý khỏc
nhau. Cỏc quỏ trỡnh sinh hoỏ kh nit trong nc c trỡnh by trong cỏc
phn sau.
2.1 QU TRèNH AMON HO PROTEIN
2.1.1 Quỏ trỡnh amon hoỏ ure
C ch ca quỏ trỡnh:
(NH2)2CO

URelaza

CO2 + 2NH3

H2 O

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

17


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

Tỏc nhõn sinh hc cho quỏ trỡnh ny l vi khun urebacterium: l loi
trc khun nh, cú nhiu trong nc thi, hụ hp tu tin v cú tỏc dng thu
phõn ure v oxy hoỏ ure. Quỏ trỡnh amon hoỏ ure cú vai trũ quan trng trong
x lý nc sinh hot nhng nhc im ca nú l ch oxy hoỏ n sn phm
cui cựng l NH3 cha lm sch mụi trng.

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

18


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

Thu phõn v b phõn hu
do vi khun thỏnh NH4+

Hp cht hu c cha
Nit, protein, URờ

NH4+

Quỏ trỡnh nitrat hoỏ
v kh nit

Cp O2

Quỏ trỡnh ng hoỏ

ng hoỏ

Nit hu c trong
t bo vi khun

T bo cht cha
nit hu c x
theo bựn ra ngoi

T ụxy hoỏ v t tan

NO2-

Cp O2

Kh Nit
NO3+

Khớ Nit thoỏt ra ngoi

Hp cht hu c
cha cacbon

Hỡnh 2.1. S mụ t quỏ trỡnh sinh hoỏ kh Nit trong nc[6]

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

19


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

2.1.2. Quỏ trỡnh amụn hoỏ protein
Trong xỏc ng vt, thc vt protein tn ti hai dng:
- n gin: protein, peptit, amino axit cú c trng khi phõn gii thu c
sn phm cui cựng l amino axit.
- Phc tp: Lipoprotein cú lipoproteaza, Nucleoprotein cú nucleoproteaza.
Khi phõn gii sn phm to thnh khụng ch cú amino axit m cũn cú lipit
c chuyn hoỏ bng ụxy hoỏ.
C ch ca quỏ trỡnh: quỏ trỡnh xy ra phc tp gm cú 3 giai on.
- Giai on 1: giai on thu phõn
Protein

pepit
Emzym proteaza

amino axit
Emzym petidaza

- Giai on 2: giai on kh amin. Cú th xy ra nhiu c ch khỏc nhau.

+ Kh amin bng thu phõn

R-CH(NH2)-COOH

Khụng cú decacboxylaza

NH3 + R-CH(OH)-COOH

Cú decacboxylaza

CO2 + NH3 + R-CH2-OH

H2 O

+ Kh amin bng quỏ trỡnh oxy hoỏ.
Khụng cú decacboxylaza

R-CH(NH2)-COOH

NH3 + R-CO-COOH

O2
Cú decacboxylaza

CO2 + NH3 + R-COOH

+Kh amin bng quỏ trỡnh kh (cỏc vi sinh vt ym khớ)
Khụng cú decacboxylaza

R-CH(NH2)-COOH

NH3 + R-CH(OH)-COOH

2H+
Cú decacboxylaza

CO2 + NH3 + R-CH2-OH

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

20


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

+ Mt amin trc tip
R-CH(NH2)-COOH

NH3 + R-CH=CH-COOH

- Giai on 3: Giai on oxy hoỏ kh. Xy ra trong iu kin hiu khớ v
yu khớ. Chuyn hoỏ hon ton sn phm ca quỏ trỡnh kh amin nh
ru, axit hu c, metyl theo 2 c ch:
+ C ch ụxy hoỏ: sn phm to thnh l CO2, H2O
+ Lờn men (ym khớ): Sn phm l CO2, CH4, H2S.
Vi t l C:N = 20: 1, NH3 khụng bay hi ra ngoi, chỳng chuyn vo vi sinh
vt to sinh khi cho vi sinh vt (30% sinh khi).
+ Tỏc nhõn sinh hc: Thng l cỏc vi khun hụ hp hiu khớ nh: bacterium

mycodes; bacterium magaterium; Vi khun lu hunh: pseudomonas
fluorescens.[3]
Vi khun hụ hp tu tin: proteus vulgaris
Vi khun ym khớ: bacterium putrifucus; bact sperogenes
2.2. QU TRèNH NITRAT HO.
2.2.1. Tỏc nhõn sinh hc
Hai loi vi khun quan trng trong quỏ trỡnh Nitrat hoỏ l Nitrosomonas
v Nitrobacter. Cỏc nhúm vi khun ny l nhng vi sinh vt t dng hiu
khớ chỳng ly nng lng cho s phỏt trin t s ụxy hoỏ cỏc hp cht nit vụ
c v CO2 tng hp sinh khi. Mi loi cú kh nng oxy hoỏ Nit ti mt
mc nht nh. Nitrosomonas v Nitrosolobus ch ụxy hoỏ NH3 ti NO2-.
Cũn Nitrobacter li ch oxy hoỏ NO2- thnh NO3-.
Trỏi vi nhng vi sinh vt d dng, vi khun nitrat hoỏ t dng phỏt
trin rt chm, tc tng trng trờn mt n v NH 4+ hoc NO2- b oxy hoỏ
thp. Thi gian cho mt th h l 0.4 2.5 ngy i vi Nitrosomonas v 0.31.5 ngy i vi Nitrobacter. Sn lng t bo (g t bo khụ/g N oxy hoỏ) i
Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

21


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

vi Nitrosomonas l 0.29g v i vi Nitrobacter l 0.08g. C hai loi vi
khun ny u cú cỏc yờu cu c bit v mụi trng sng nh pH, nhit
v ụxy ho tan. Cú rt nhiu kim loi nng trong mụi trng cú kh nng gõy
c v kỡm hóm s phỏt trin ca cỏc vi khun Nitrat hoỏ.[6]
Gn õy cú rt nhiu cỏc loi vi khun d dng cú kh nng oxy hoỏ
NH4+ v cỏc hp cht ca nit thnh NO2- v NO3- c cụng b. Vớ d:

Methylococcus capsullata; pseudomonas methanicus; thiobacilus novellus;
methylosinus trichosporium Mc dự kh nng ụxy hoỏ NH 4+ ca cỏc vi
khun d dng ny nh hn t 103-104 ln kh nng ụxy hoỏ NH4+ ca vi
khun t dng nhng chỳng cú kh nng phỏt trin rt nhanh, d thớch ng
vi mụi trng, k c mụi trng nghốo hay giu cht hu c. Hn na, ngoi
kh nng ụxy hoỏ NH4+, cỏc vi khun d dng cũn cú c enzym kh nitrat
(nitrat reductaza) thnh nit phõn t ngay trong iu kin cú ụxy.
2.2.2 C ch ca quỏ trỡnh
Quỏ trỡnh oxy hoỏ t NH3 - N thnh NO3-N xy ra theo 2 bc.
Bc 1: NH4+ b oxy hoỏ thnh NO2- do tỏc ng ca vi khun nitrat hoỏ
theo phn ng:
Nitrosomonas
2H+ + H2O + NO2-

NH4+ +1.5 O2

(2-1)

Bc 2: oxy hoỏ NO2- thnh NO3- do tỏc ng ca vi khun Nitrat hoỏ
Nitrobacter
NO2-+ 0.5 O2

NO3-

(2-2)

Tng hp phn c hai phn ng trờn ta cú phng trỡnh
NH4+ + 2 O2 NO3- + 2 H+ + H2O

(2-

3)
phn ng ny xy ra hon ton , s cn 4.57mg O2 to ra mt phõn t
NH4+ - N

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

22


Luận văn thạc sĩ khoa học

Nguyễn Viết Thành

Khong 20- 40% NH4+ b ng hoỏ thnh v t bo. Phn ng ng hoỏ cựng
xy ra trong quỏ trỡnh oxy hoỏ theo phng trỡnh sau:
NH4+

+

4CO2

+

HCO3-



C5

H7

NO2

+

5O2

(2-4)
Trong ú C5 H7 NO2 c to thnh l thnh phn chớnh trong nguyờn sinh
cht ca t bo vi khun.
S kt hp ca phng trỡnh (2-3) v (2-4), phn ng ng hoỏ v oxy hoỏ
hon ton nh sau:
22NH4+ +37 O2 + 4 CO2 + HCO3- C5 H7 NO2 + 21NO3- + 20 H+ + 20H2O
(2-5)
Phng trỡnh (2-5) cho thy kim gim trong sut quỏ trỡnh nitrat hoỏ.
Phng trỡnh (2-6) cho thy 1 mol Ca(HCO3)2 trung ho 2 mol axit nitric
c sn xut t quỏ trỡnh nitrat hoỏ.
2H+ +2 NO3- + Ca(HCO3)2 Ca( NO3)2 + 2CO2 + 2H2O

(2-6)

S gim kim cú th c trỡnh by nh 7.14 mg/l dung dch kim
(CaCO3) lm gim 1 mg/l NH3-N oxi hoỏ. Theo lý thuyt, s gim kim
him khi c theo dừi bi d liu ly t phũng thớ nghim, pilot hoc phũng
nghiờn cu. Trong hu ht cỏc trng hp, s gim kim theo thc t ớt
hn giỏ tr lý thuyt. Cú mt bỏo cỏo rng s chuyn hoỏ t Nit hu c sang
NH4+ din ra trong quỏ trỡnh bựn hot tớnh v tỏc ng ca tớnh kim n nc
thi. Cỏc iu kin ca kim l mt nguyờn nhõn m tc lý thuyt him
khi c theo dừi. Giỏ tr lý thuyt l giỏ tr i vi nc thi m trong ú

khụng cú NH4+ -N c chuyn hoỏ t N hu c.[17]
Cú th tng hp cỏc quỏ trỡnh trờn bng phn ng sau:
NH4+ +1,731 O2 + 1,962 HCO3- 0.038 C5 H7 NO2 + 0.962 NO3- +
1.769 H2CO3 + 1.077H2O

(2-7)

T phng trỡnh trờn rỳt ra: khi chuyn hoỏ 1 mg NH4+ cn tiờu th 3.96 mg
O2, v sn sinh ra 0.31 mg t bo mi v cn tiờu th 0.16 mg CO2.

Viện Khoa học và Công nghệ Môi tr-ờng - ĐHBK Hà Nội

23