Các quá trình khử Nitrogen bằng vi sinh vật

68
Chương 6
CÁC QUÁ TRÌNH KHỬ NITROGEN BẰNG VI SINH VẬT
WX
6.1. Sự chuyển hóa ammonia bằng quá trình nitrate hóa sinh học (conversion of
ammonia by biological nitrification)
Quá trình mà trong đó nitrogen của nước thải chưa xử lý lần lượt được chuyển hóa để
tạo thành nitrate dưới tác dụng của vi sinh vật được gọi là “quá trình nitrate hóa sinh học”.
Nước thải đã được xử lý khi được thải ra đòi hỏi thỏa mãn các yêu cầu của môi trường nước
tiếp nhận nơi cần có sự giảm thiểu nhu cầu oxy nitrogen (oxy cần thiết để oxy hóa các hợp
chất có chứa nitrogen) hoặc nơi cần thiết phải có sự giảm thiểu khả năng gây độc của
ammonia. Trong phần này, quá trình nitrate hóa sinh học được trình bày. Các quá trình xử lý
được phân loại và mô tả, ứng dụng, xem xét và so sánh kỹ lưỡng.
6.1.1. Mô tả quá trình
Nitrate hóa là một quá trình tự dưỡng (ví dụ, năng lượng cho sự phát triển của vi
khuẩn được lấy từ sự oxy hóa các hợp chất có chứa nitrogen, đầu tiên là ammonia). Trái với
quá trình dò dưỡng, các vi khuẩn nitrate hóa sử dụng CO
2
(carbon vô cơ) hơn là carbon hữu
cơ để tổng hợp tế bào.
Quá trình nitrate hóa ammonium là một quá trình gồm hai bước liên quan đến hai chi
vi sinh vật, Nitrosomonas và Nitrobacter. Bước thứ nhất, ammonium được chuyển thành
nitrite; tiếp đó nitrite được chuyển thành nitrate. Quá trình chuyển hóa được mô tả như sau:
Bước 1:
NH
4
+
+ 3/2 O
2
NO

2
-
+ 2H
+
+ H
2
O (1)
Bước 2:
NO
2
-
+ ½ O
2
NO
3
-
(2)
Phương trình 1 và 2 và những phản ứng tạo ra năng lượng. Nitrosomonas và
Nitrobacter sử dụng năng lượng được sinh ra từ những phản ứng đó cho sự phát triển và duy
trì tế bào. Toàn bộ phản ứng được trình bày qua phương trình sau:
NH
4
+
+ 2O
2
NO
3
-
+ 2H
+

+ H
2
O

69
Với năng lượng thu được, một vài ion ammonium được tích lũy trong tế bào. Phản ứng
tổng hợp sinh khối có thể được thể hiện như sau:
4CO
2
+ HCO
3
-
+ NH
4
+
+ H
2
O C
5
H
7
O
2
N + 5O
2

Công thức hóa học C
5
H
7

O
2
N được sử dụng cho tế bào vi khuẩn được tổng hợp
Toàn bộ phản ứng oxy hóa và tổng hợp có thể được thể hiện như sau:
NH
4
+
+1.83O
2
+1.98HCO
3
-
0.021C
5
H
7
O
2
N+0.98NO
3
-
+1.041H
2
O + 1.88H
2
CO
3

6.1.2. Phân loại các quá trình nitrate hóa
Các quá trình nitrate hóa có thể được phân loại theo mức độ khác biệt của sự oxy hóa

carbon liên quan đến nitrate hóa. Sự oxy hóa carbon và nitrate hóa có thể xảy ra trong một
phản ứng đơn, liên quan đến “giai đoạn đơn”. Trong quá trình nitrate hóa tách biệt, sự oxy
hóa carbon và nitrate hóa xảy ra ở các phản ứng khác nhau. Phản ứng tăng cường chất lơ
lửng hoặc tăng cường chất kết dính có thể được sử dụng cho cả hệ thống phản ứng đơn và
phản ứng tách biệt. Mô hình phản ứng đơn và phản ứng tách biệt được mô tả ở hình 6.1.

Hình 6.1. Quá trình oxy hóa carbon và nitrate hóa tăng cường chất lơ lửng : (a) sơ đồ lọc
sinh học tách biệt, (b) sơ đồ phối hợp.

70
Sinh vật nitrate hóa hiện diện trong hầu hết các quá trình xử lý sinh học, nhưng số
lượng của chúng thường giới hạn. Khả năng của các quá trình bùn hoạt tính để nitrate hóa
liên quan đến tỉ số BOD
5
/TKN (total Kjeldahl nitrogen - tổng nitrogen tính theo phương
pháp phân tích Kjeldahl). Vì tỷ số BOD
5
/TKN nằm trong khoảng từ 1-3 tương xứng với các
giá trò gặp phải trong các hệ thống nitrate hóa tách biệt. Tỷ số sinh vật nitrate hóa được đánh
giá biến động từ 0.21 tại BOD
5
/TKN = 1 đến 0.083 tại BOD
5
/TKN=3 (xem bảng 6.1). Trong
hầu hết quá quá trình bùn hoạt tính truyền thống, tỷ số sinh vật nitrate hóa thường thấp hơn
0.083. Điều đó cho thấy rằng khi BOD
5
/TKN >5, quá trình có thể được xem như là một quá
trình kết hợp giữa oxy hóa carbon và nitrate hóa, và khi tỉ số này <3, có thể được xếp vào
quá trình nitrate hóa tách biệt.

Bảng 6.1. Mối tương quan giữa phân số sinh vật nitrate hóa và tỷ số BOD
5
/TKN
Tỷ số BOD
5
/TKN Phân số sinh vật nitrate
hóa
Tỷ số BOD
5
/TKN Phân số sinh vật nitrate
hóa
0.5 0.35 5 0.054
1 0.21 6 0.043
2 0.12 7 0.037
3 0.083 8 0.033
4 0.064 9 0.029
6.1.3. Sự oxy hóa carbon và nitrate hóa ở giai đoạn đơn (sơ đồ phối hợp).
Quá trình nitrate hóa có thể được thực hiện trong hệ bùn hoạt tính tăng cường chất lơ
lửng. Các quá trình thường được sử dụng là chảy truyền thống (conventional plug-flow), trộn
hoàn chỉnh (complete-mix), sục khí tăng cường (extended aeration) và nhiều dạng sửa đổi
của mương oxy hóa (oxidation ditch). Để đạt được nitrate hóa, đòi hỏi có sự duy trì các điều
kiện có thể cho sự phát triển của các sinh vật nitrate hóa. Ví dụ, trong vùng khí hậu ấm áp,
sự nitrate hóa tăng cường có thể được gia tăng nhờ sự gia tăng thời gian tồn tại của các tế
bào trong hệ thống xử lý và sự cung cấp khí. Kỹ thuật này thường được sử dụng để đạt được
nitrate hóa theo mùa.
Hai quá trình tăng cường kết dính, có thể được sử dụng cho quá trình nitrate hóa và
oxy hóa carbon kết hợp, là lọc nhỏ giọt và tiếp xúc sinh học. Với các quá trình tăng cường
chất lơ lửng có thể được tăng cường nhờ việc điều chỉnh các thông số điều khiển. Nitrate hóa
thường có thể được thực hiện bởi việc làm giảm tốc độ tải hoạt được áp dụng.
Quá trình tăng cường chất lơ lửng. Động thái của quá trình nitrate hóa được đònh

nghóa rõ ràng nhất cho hệ thống tăng cường chất lơ lửng. Điều đó cho thấy các biểu thức
của động lực học được dùng trong quá trình tăng cường chất lơ lửng hiếu khí có thể được áp
dụng cho quá trình nitrate hóa.
Từ kinh nghiệm và những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, cho thấy rằng những
nhân tố sau có ảnh hưởng lên quá trình nitrate hóa : nồng độ ammonia và nitrite, tỉ số

71
BOD
5
/TKN, nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ và pH. Ảnh hưởng của những biến số lên quá
trình nitrate hóa và việc tiếp cận để giải thích chúng được trình bày ở bảng 5-2. Các nhân tố
đồng ảnh hưởng của động năng lên quá trình nitrate hóa tăng cường chất lơ lửng là kích cỡ
của môi trường và độ sâu của bể.
Việc ứng dụng những tiếp cận về động năng cho những phân tích quá trình nitrate hóa
trong một phản ứng phức hợp hoàn toàn liên quan đến các bước sau:
(1) Lựa chọn một nhân tố an toàn để duy trì hoạt độ đỉnh, suốt ngày và thời gian tải hoạt
ngắn.
(2) Lựa chọn nồng độ oxy hòa tan thấp nhất. DO thấp nhất ở mức 2.0mg/l là thích hợp để
tránh việc giảm hiệu quả của DO lên tốc độ nitrate hóa.
(3) Xác đònh pH trong quá trình vận hành. pH biến động từ 7.0-9.0 là thích hợp. Mỗi một
mg/l NH
4
-N bò oxy hóa có thể gây nên sự phân hủy 7.14mg/l kiềm (biểu hiện qua
CaCO
3
).
(4) Đánh giá tốc độ phát triển cực đại của các vi khuẩn nitrate hóa không ảnh hưởng đến sự
thay đổi của nhiệt độ, DO và pH.
(5) Xác đònh thời gian tồn tại ít nhất của tế bào dựa vào tốc độ phát triển được xác đònh trong
bước (4).

(6) Xác đònh thời gian tồn tại của tế bào theo dự kiến bằng cách sử dụng nhân tố an toàn
được xác đònh ở bước (1).
(7) Xác đònh nồng độ nitrogen của nước thải.
(8) Xác đònh thời gian giử nước để đạt đến nồng độ nitrogen cần thiết của nước thải.
(9) Xác đònh tốc độ sử dụng chất hữu tại nơi mà quá trình nitrate hóa - oxy hóa giai đoạn đơn
được sử dụng.






72
Bảng 6.2. Ảnh hưởng của những thay đổi môi trường và quá trình hoạt động lên quá trình
nitrate hóa tăng cường lơ lửng.
Thông số môi trường Mô tả ảnh hưởng
Nồng độ NH
4
+
và NO
2
-
Nồng độ NH
4
+
và NO
2
-
ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng riêng cực đại của
nitrosomonas và Nitrobacter. Tốc độ tăng trưởng của nitrobacter lớn hơn rất

nhiều so với nitrosomonas. Và tốc độ tăng trưởng chung của chúng trong quá
trình là:



μ : tốc độ tăng trưởng riêng (1/s)
μm : tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s)
S : nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm tăng trưởng bò hạn chế
K
s
: hằng số bán tốc độ
Lấy μm = 0.45 ngày
-1
ở 15
0
C
Tỷ số BOD/TKN Số phần trăm của các hợp chất hữu cơ bò nitrate hóa trong quá trình khử BOD
chòu ảnh hưởng của tỷ số BOD/TKN. Biểu thò bằng:
F
N
=[0.16(NH
3
bò khử)]/[0.6(BOD
5
bò khử + 0.16 (NH
3
bò khử)]
Nồng độ oxy hòa tan Mức độ DO ảnh hưởng đến tốc độ phát triển đặc biệt μ
m
của các sinh vật nitrate

hóa. nh hưởng đó có thể được mô hình hóa với mối tương quan sau:


Dựa vào các thông tin giới hạn có thể lấy Ko
2
=1.3mg/l

Nhiệt độ (
0
C) Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nitrate hóa


pH Tốc độ cực đại của nitrate hóa xảy ra trong khoảng pH từ 7.2 đến 9.0. Đối với hệ
thống nitrate hóa oxy hóa carbon ảnh hưởng của pH có thể được tính theo công
thức


Vấn đề chính liên quan đến phân tích này là việc xác đònh thời gian tồn tại tối thiểu
của tế bào trong môi trường khắc nghiệt nhất và việc sử dụng nhân tố an toàn. Sự tiếp cận
này là cần thiết giống như cái được sử dụng trong việc thiết kế quá trình bùn hoạt tính tăng
cường chất lơ lửng trong phản ứng trộn hoàn toàn.
Các quá trình tăng cường dính bám (attached-growth processes). Quá trình tăng
cường chất dính bám là lọc nhỏ giọt và bể tiếp xúc sinh học. Ngày nay, hầu hết việc tiếp cận
để mô tả sự vận hành của các quá trình tăng cường dính bám là sử dụng các nhân tố tải hoạt.
Đối với lọc nhỏ giọt sử dụng môi trường đá, hoạt tải chất hữu cơ sẽ ảnh hưởng đến
hiệu suất của quá trình nitrate hóa vì màng vi khuẩn chiếm ưu thế bởi vi khuẩn dò dưỡng lúc
hoạt tải chất hữu cơ cao. Để đạt được hiệu quả nitrate hóa cao, sự hoạt tải chất hữu cơ được
duy trì trong khoảng biến động trong khoảng 0.8-2m
3
/m

2
.phút. Bởi vì hệ lọc sử dụng hộp
chứa plastic có bề mặt tiếp xúc lớn hơn (và số lượng vi khuẩn hoạt động nhiều hơn), hoạt tải
NK
N
s
m
+
=
μμ
DOK
DO
O
m
m
+
=
2
'
μμ
)15(098.0 −
=
T
m
e
μμ
)]2.7(833.01[ pH
m
−−=
μμ