Hướng dẫn tính toán quá trình khử Nitrat trong xử lý nước thải

5/2/2015

Nitrat hoá
Quá trình sinh học 2 bậc:
Ammonia (NH4-N) oxi hoá thành nitrit (NO2-N) và
Nitrit oxi hoá thành nitrat (NO3-N).
Nitrat hoá cần thiết trong quá trình xử lý nước thải vì:
Ammonia tiêu thụ DO của nguồn tiếp nhận và gây
độc cho cá,
Để kiểm soát quá trình phú dưỡng hoá,
Để kiểm soát Nitơ cho việc sử dụng lại nước thải/xả
thải vào nước ngầm.
Tổng nồng độ N-hữu cơ và ammonia trong nước thải
đô thị = 25 -45 mg N/l;
Tiêu chuẩn nước thải: Tổng N = 60 mg/l; N-ammonia =
10 mg/l

1

Mô tả quá trình
Giống như khử BOD, nitrat hoá có thể áp dụng quá trình sinh
học sinh trưởng lơ lửng và sinh trưởng dính bám.
Đối với quá trình sinh trưởng lơ lửng:
Quá trình một bậc bùn (single–sludge): Nitrat hoá kết hợp
với khử BOD trong một hệ thống: bể aeroten và lắng có tuần
hoàn bùn. Đây là dạng áp dụng phổ biến.

Đầu vào

Kết hợp loại bỏ BOD và
Nitrat hoá

Bể lắng
Đầu ra

Bùn tuần hoàn
Bùn thải

2

1


5/2/2015

Sơ đồ quá trình 2 bậc bùn
Đường rẻ nhánh

Khử BOD

Bể lắng II

Nitrat hoá

Bể lắng II

Đầu vào
Đầu ra

Bùn tuần hoàn
Bùn tuần hoàn

Bùn thải

Bùn thải

3

Mô tả quá trình
Quá trình sinh trưởng lơ lửng:
Quá trình hai bậc bùn (two-sludge):
Áp dụng trong những trường hợp có khả năng gây độc và
chất ức chế.
Gồm 2 hệ thống riêng biệt (mỗi hệ thống có 1 bể làm thoáng
và 1 bể lắng):

Hệ thống I: hoạt động ở SRT ngắn để khử BOD.
Hệ thống II: Vi khuẩn nitrate hoá, vi khuẩn tự
dưỡng, phát triển chậm hơn nhiều so với vi khuẩn
tự dưỡng  đòi hỏi thời gian lưu nước và lưu bùn
dài hơn.
Một phần nước thải đầu vào có thể được dẫn tắt
(by-pass) đến hệ thống II để tạo điều kiện cho việc
kết bông và lắng cặn hiệu quả hơn.
4

2


5/2/2015

Vi sinh vật

Nitrosomonas europea

Nitrosomonas sp

Nitrosolobus multiformis

Nitrococcus mobilis

Nitrosocystic oceanus

Nitrobacter winogradskyi

Nitrospina gracilis

Nitrosospira briensis

5

Đẳng lượng của nitrat hoá sinh học
Qúa trình oxi hoá ammonia thành nitrat xảy ra theo 2
bậc:
Vi khuẩn Nitrosomonas

2NH+4 +302  2NO2- +4H+ +2H2O
Vi khuẩn Nitrobacter:

2NO-2 +O2  2NO3Tổng phản ứng oxi hoá

NH+4 +2O2  NO3- +2H+ +2H2O

Nhu cầu oxi cần cho oxi hoá hoàn toàn ammonia là 4.57 g
O2/g N
6

3


5/2/2015

Đẳng lượng của nitrat hoá sinh học
Lượng kiềm cần để thực hiện phản ứng oxy hoá
ammonia:

NH+4 +2HCO3- +O2  NO3- +2CO2 +3H2O
Một gram nitơ-ammonia (N) được chuyển hoá thì cần
7.14 g kiềm (CaCO3) = [2 x (50g CaCO3/eq)/14].
Cùng với năng lượng thu được, 1 phần ion ammonium
được tiêu hoá vào trong tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh
khối:

4CO2 +HCO3- +NH+4 +H2O  C5H7O2N+5O 2
Công thức hoá học C5H7O2N được sử dụng để mô tả sự
tổng hợp tế bào vi khuẩn
7

Đẳng lượng của nitrat hoá sinh học
Công thức tổng hợp mô tả oxi hoá và tổng hợp tế bào:

NH+4 +1,863O2 +0,098CO2 
0,0196C5H7 O2 +0,98NO3- +0,0941H2O+1,98H+

 Mỗi gram N-ammonia (N) được chuyển hoá sử
dụng 4.25g O2, 0.16 g tế bào mới được tạo thành, 7.07
g kiềm (CaCO3) được loại bỏ, 0.08 g cacbon vô cơ
được sử dụng trong việc hình thành tế bào mới.
8

4


5/2/2015

Động học sinh trưởng

μ N
μn =  nm  -k dn
 K n =N 
µn:Tốc độ sinh trưởng riêng của vk nitrat hoá,
(g tế bào mới/g tế bào.ngày)
µnm: Tốc độ sinh trưởng riêng tối đa của vk nitrat hoá,
(g tế bào mới/g tế bào.ngày)
N: Nồng độ nitơ, g/m3
Kn:Hằng số bán vận tốc, g/m3
Kdn :Hệ phân huỷ nội bào cho vi khuẩn nitrat hoá,
gVSS/gVSS.
µnm : 0.25 - 0.77 gVSS/gVSS ở nhiệt độ 20oC.
SRT : 7 - 20 ngày

9

Ảnh hưởng của DO tới tốc độ nitrat hóa

 nmN   DO 
 -k dn

 Kn +N  K o +DO 

n = 

DO = nồng độ oxi hoà tan, g/m3
Ko = Hệ số bán bão hoà đối với DO, mg/L.

10

5


5/2/2015

Những yếu tố môi trường
pH
Độc tính
Kim loại
Ammonia không phân ly (khí NH3 hòa tan)

11

Những yếu tố môi trường
pH:
Ở giá trị pH gần 5.8 -6.0, tốc độ nitart hóa có thể
bằng 10 – 20% so với tốc độ nitrat ở giá trị pH 7

Tốc độ nitrat hoá tối ưu xảy ra ở giá trị pH trong
khoảng 7.5 – 8.0.
Độ kiềm cần được thêm vào hệ thống xử lí nước
thải để duy trì giá trị pH cho phù hợp. Lượng kiềm
được thêm vào phụ thuộc độ kiềm ban đầu và
lượng NH4-N oxi hoá.
Độ kiềm có thể được thêm vào dưới dạng vôi,
soda, natri bicacbonnat (NaHCO3).

12

6


5/2/2015

Những yếu tố môi trường
Độc tính:
Vi khuẩn nitrate hoá nhạy cảm với các hợp chất
hữu cơ/vô cơ độc ở nồng độ thấp hơn nhiều so
với vi khuẩn hiếu khí khử CHC.
Những hợp chất gây độc như những hợp chất hữu
cơ dể bay hơi (dung môi), amin, protein, tanin,
phenolic, rượu, xianua, ete, cacbamat và benzen.

13

Những yếu tố môi trường
Kim loại
Oxi hoá ammonia bị ức chế ở nồng độ 0.25 mg/l

Nikel, 0,25 mg/l Chrom và 0.1 mg/l chì.
Ammoniac
Nitrat hoá cũng bị ức chế bởi NH3 hoặc ammonia
tự do, và acid nitrous (HNO2). Qúa trình bị ức chế
phụ thuộc vào nồng độ nitơ tổng, nhiệt độ và pH

14

7


5/2/2015

Các quá trình bùn hoạt tính khử BOD và nitrate
hoá
Bể xáo trộn hoàn toàn:
Hoạt động đơn giản;
Chỉ áp dụng tải trọng thấp (F/M thấp)  dể sinh ra các vi sinh
sợi  bùn khối khó lắng;
Bể dòng chảy nút:
DO thấp ở đầu bể
Hệ thống thổi khí được thiết kế đáp ứng nhu cầu oxy theo
chiều dài bể (bằng cách áp dụng giảm dần tốc độ thổi khí
theo chiều dài bể).
Có thể áp dụng tải trọng cao (F/M cao), chất lượng nước ra
tốt hơn.
Nitrate hoá tốt hơn so với BHT xáo trộn hoàn toàn
Sử dụng năng lượng thổi khí ít hơn
Có hai dạng:
Dòng chảy nút thông thường: Có một đầu vào,

Dòng chảy nút cấp vào theo bậc: Có 3-4 điểm NT vào dọc theo
chiều dài.

15

Các quá trình bùn hoạt tính khử BOD và nitrate
hoá
Bể ổn định tiếp xúc:
Có hai ngăn riêng biệt: (i) ngăn ổn định để ổn định bùn
và (ii) ngăn tiếp xúc để xử lý nước thải;
Bùn hoạt tính ổn định trộn với nước thải thô trong
ngăn tiếp xúc. Thời gian tiếp xúc ngắn (30-60 phút đối
với NT đô thị) và MLSS của ngăn tiếp xúc thấp hơn so
với ngăn ổn định;
BOD hoà tan được xử lý nhanh trong vùng tiếp xúc;
Cặn và keo hữu cơ bị bông bùn bắt giữ và được phân
huỷ ở vùng ổn định sau đó
Thời gian lưu trong vùng ổn định = 1-2 giờ
Thích hợp khử BOD đối với NT có BOD hoà tan thấp,
BOD keo cao
Không thích hợp cho nitrate hoá.
16

8


5/2/2015

Bể oxi nguyên chất

17

Các quá trình bùn hoạt tính khử BOD và nitrate
hoá
Bể BHT tăng cường:
Tương tự BHT dòng chảy nút, hoạt động trong
giai đoạn phân huỷ nội bào (tải trọng thấp, thời
gian lưu nước dài);
SRT dài = 20 – 30 ngày;
Chất lượng nước xử lý cao;
Sản lượng bùn sinh ra thấp;
Bùn ổn định tốt (không cần bể metan)
Năng lượng thổi khí cao;
Khối tích công trình lớn  Áp dụng công suất
nhỏ
18

9


5/2/2015

Bể bùn hoạt tính tăng cường

19

Các quá trình bùn hoạt tính khử BOD và nitrate
hoá
Mương oxy hóa
Áp dụng quá trình bùn HT tăng cường;

Dạng hình oval/vòng có trang bị thiết bị trộn và
khuếch tán khí cơ khí tạo dòng chảy có tốc độ
0.25-0.3 m/s trong mương, đủ duy trì BHT lơ lững;
Kết hợp nitrate hoá và khử nitrate
Hoạt động đơn giản
Sử dụng ít năng lượng hơn
Sản lượng bùn sinh ra thấp

20

10


5/2/2015

Mương oxi hoá

21

Các quá trình bùn hoạt tính khử BOD và nitrate
hoá
BHT ngược dòng
Áp dụng quá trình bùn HT tăng cường;
Hệ thống cấp khí là cầu quay trên đó có gắn các
ống/đĩa khuếch tán khí;
Cầu quay với tốc độ đủ lớn cung cấp khuấy trộn
giử cho BHT lơ lững.

22

11


5/2/2015

Các quá trình bùn hoạt tính khử BOD và nitrate
hoá
Bể BHT từng mẽ
Hệ thống gồm 1 bể xáo trộn hoàn toàn duy nhất
trong đó tấc cả quá trình BHT xảy ra;
Chu kỳ mỗi mẽ gồm: Làm đầy – Thổi khí – Lắng –
Rút nước.
Thời gian: 3 giờ cho làm đầy; 2 giờ thổi khí (cho
NT sinh hoạt), 0,5 giờ lắng và 0.5 giờ rút nước.
Hoạt động đơn giản
Không cần bể lắng và bơm bùn tuần hoàn;
Đòi hỏi bể điều hòa lớn

23

12