Các hệ thống xử lý nitơ truyền thống dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn nitrate hóa (nitrification) và denitrate hóa (denitrification) .
Ơû giai đoạn nitrate hóa, amôni trong nước thải được oxi hóa đến nitrate qua 2 bước nitrite hóa (nitritation) và oxy hóa nitrite (nitratation). Đây là giai đoạn xảy ra trong điều kiện hiếu khí. Các phản ứng được mô tả như sau:
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 33 Nếu tính đến sự đồng hóa nitơ cho sinh trưởng tế bào vi khuẩn, phản ứng tổng thể của giai đoạn nitrat hóa được viết (Gujer and Jenkins, 1974):
NH4+ + 1,83 O2 + 1.98 HCO3- 0,021 C5H7NO2 + 0,98 NO3- + 1,041 H2O + 1,88 H2CO3 (4)
Vi sinh vật đóng vai trò trong phản ứng (1), thường gọi là các AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria), được biết chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas và một số chi khác như Nitrosococcus, and Nitrosospria, Nitrosolobus, Nitrosovibrio. Tương tự, các NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria) liên quan trong phản ứng (2) chủ yếu là vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, và một số chi khác như Nitrospina, Nitrococcus, và Nitrospira được phát hiện thêm sau này (Suwa et al ., 1994; Schramm et al ., 1998;). Giữa các AOB và NOB có những khác biệt về điều kiện tăng trưởng, cho phép điều khiển chọn lọc sự cạnh tranh ưu thế của chúng. Ví dụ, tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của AOB nhỏ hơn của NOB ở nhiệt độ thấp (0,xx so với 0,xxx), nhưng do hệ số nhiệt van’t Hoff lớn hơn, nên ở nhiệt độ cao (trên 28oC), AOB có ái lực oxy thấp hơn các NOB (0,63 mg O2/L so với 1,32 mg O2/L) nên ở điều kiện oxy hạn chế, AOB sẽ chieỏm ửu theỏ (Jayamohan et al., 1988).
Ơû giai đoạn denitrate hóa, nitrate được khử thành nitritee rồi thành khí nitơ (N2) qua một số sản phẩm trung gian khác. Giai đoạn này xảy ra trong điều kiện kỵ khí. Quá trình khử cần sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ như là nguồn cho điện tử. Các chất hữu cơ thường sử dụng gồm methanol, etanol, acetate, glucose,… (nguồn carbon ngoài) hay chính các chất hữu cơ trong nước thải (nguồn carbon nội).
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 34 Các phản ứng hữu cơ chuyển hóa trong trường hợp nguồn carbon là methanol nhử sau:
N03- + 1,08 CH3OH + H+ 0,065 C5H7NO2 + 0,47N2 + 0,76 CO2 + 2,44 H2O (8)
Đóng vai trò trong quá trình denitrat hóa là các vi khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, . . .
Về mặt kỹ thuật, các hệ thống xử lý nitơ truyền thống có thể được thiết kế theo trình tự nitrate hóa - denitrate hóa (past - denitrification) hay ngược lại (pre- denitrification). Trong trường hợp thứ nhất, nguồn carbon bên ngoài phải được cung cấp cho bể denitrate hóa; còn trong trường hợp thứ hai, phải cần một dòng hồi lưu lớn ( R = 2-3) từ bể nitrate hóa .
Hình 2.2 dưới đây minh họa cho 2 phương án này với một hệ thống xử lý bùn hoạt tính.
Hình 2.2: Các sơ đồ hệ thống D/DN xử lý nitơ
Mặc dù được phát triển đã từ lâu và hiện vẫn còn ứng dụng rộng rãi, các hệ thống nitrate hóa – denitrate hóa (N/DN) bộc lộ nhiều hạn chế sau đây, nhất là về phương diện kinh tế khi áp dụng xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao và carbon thấp như nước rỉ rác, nước lắng bể phân hủy bùn, bể biogas, . . .:
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 35 Nhu cầu oxy cao cho giai đoạn nitrate hóa. Theo phản ứng (4) thì nhu cầu oxy là 4,2 g-O2/g NH4-N được oxy hóa đến nitrate. Ví dụ trong xử lý nước thải sinh hoạt, khi kết hợp nitrate hóa với oxy hóa loại BOD trong cùng bể hoạt tính thì phải tăng gấp đôi lượng oxy cung cấp so với chỉ riêng mục đích oxy hóa carbon hữu cơ.
Nhu cầu bổ sung nguồn carbon hữu cơ cho giai đoạn denitrate hóa. Theo phản ứng (8), nhu cầu methanol sẽ là 2,47 g cho 1 g NO3-N được denitrate hóa.
Nhu cầu này thường làm cho giá thành quá trình xử lý tăng cao, nhất là với nước thải có hàm lượng nitơ cao.
Nhu cầu bổ sung độ kiềm. Giai đoạn nitrate hóa đòi hỏi tiêu thụ độ kiềm 7,14 g CaCO3/g NH4-N được oxy hóa . Cho nên nếu nước thải không đủ độ kiềm thì sẽ phải bổ sung bằng muối carbonat.
Hai giai đoạn nitrate hóa và denitrate hóa xảy ra với hai điều kiện ngược nhau: hiếu khí – kỵ khí, tự dưỡng – dị dưỡng. Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm soát quá trình của hệ thống xử lý nitơ truyền thống đòi hỏi phức tạp. Ví dụ, trong khi ở giai đoạn nitrate hóa cần duy trì DO tối thiểu là 2 mg/L thì ở giai đoạn denitrate hóa phải khống chế DO dưới 0,3 mg/L.
Trong nhiều năm qua, đã có những nghiên cứu nhằm cải tiến kỹ thuật N/DN truyền thống, chủ yếu là làm tăng hiệu quả xử lý ở các giai đoạn nitrate hóa và denitrate hóa như sử dụng vật liệu bám cho vi sinh vật, bố trí nhiều tầng hiếu khí/kỵ khí, cấp nước thải vào ở nhiều vị trí dọc theo bể, tối ưu hóa thiết kế.
. .
Một hướng cải tiến khác là nhắm vào thay đổi con đường chuyển hóa. Ví dụ điển hình là quá trình loại nitơ “ đường đi tắt” (SNBR= shortcut biological nitrogen removal), tức là denitrite hóa (khử về nitơ phân tử từ nitrite) thay cho
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 36 denitrate hóa, để giảm bớt nhu cầu oxy cần cho giai đoạn oxy hóa nitrite và nhu cầu carbon hữu cơ cho giai đoạn khử nitrate về nitrite. Hệ thống SNBR cho phép giảm 25% nhu cầu oxy và khoảng 40% nhu cầu carbon hữu cơ (Turk và Mavinic, 1986; Abeiling và Sayfried, 1992; Chung et al., 2004). . .
Tuy nhiên, về căn bản các phương án cải tiến trên đều vẫn dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn tự dưỡng và dị dưỡng, nghĩa là vẫn cần cung cấp nguồn carbon hữu cơ.
Từ những năm 1990, sự phát hiện ra phản ứng oxy hóa kỵ khí amôni (anammox) đã cho phép phát triển các hệ thống xử lý nitơ hoàn toàn tự dưỡng.
Hình 2.3 mô tả sơ đồ nguyên tắc các quá trình xử lý loại nitơ, bao gồm hệ thống D/DN truyền thống và các hệ thống cải tiến.
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên tắc các quá trình xử lý nitơ
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 37 Bảng 2.3 cho phép so sánh một vài thông số vận hành đặc trưng của các hệ thống xử lý nitơ truyền thống và cải tiến khác nhau
Bảng 2.3: So sánh một số hệ thống xử lý Nitơ khác nhau Hệ thống Tải lượng
(kg-N/ha/d)
Tieõu thuù năng lượng (kWh/kg-N)
COD/N Tạo sinh khối (kg khoâ/kg-N)
Hieọu suaỏt loại tổng N
(%) N/DN bùn hoạt
tính truyeàn thoáng
200 -700 2.31) 3 -6 1 -1.2 > 75
SNBR bùn hoạt tính
200 -700 1.71) 2 -4 0.8 -0.9 > 75
Bùn hoạt tính hoàn toàn tự dưỡng
> 200-700 0.9 0 < 0.1 > 75
Ao tảo 15 -30 0.1 -1 6 -7 10 -15 23 -78
Ao beứo 3 -4 < 0.1 28 20 -26 74 -77
Cánh đồng ngập nhân tạo
3 -26 < 0.1 2 -7 - 30 -70
1) Chỉ tính điện năng tiêu thụ cho thông khí, với hiệu suất 2 kg O2/kWh.
(Nguoàn: Mulder, 2003)