Xử lý sinh học các hợp chất nito

1. Tổng quan 1.1. Trạng thái tồn tại Nito trong nước thải 1.2. Tác hại của Nito 2.Cơ sở các quá trình xử lý nito bằng phương pháp sinh học 2.1. Quá trình nitrat 2.2. Quá trình phản nitrat 2.3.Quá trình anammox

CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC

 Trường: ĐH KHTN

 Lớp: 09CMT

 GVHD: Trương Thanh Cảnh

 Nhóm thực hiện: Nhóm 1,5 Danh sách thành viên nhóm:

Tài liệu tham khảo: + Environmental Biotechnology: Principles and Applications

(Bruce E,Rittmann Perry L.McCarty)

+Sinh hóa môi trường; PGS.TS Trương Thanh Cảnh; Nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật

DANH MỤC VIẾT TẮT

VSS : Volatile suspended solids ( chất rắn lơ lững dễ bay hơi)

MLVSS : mixed – liquor volatile suspended solids ( chất rắn lơ lửng hỗn dịch dễ bay hơi) MLSS : mixed – liquor volatile suspended solids (chất rắn lơ lửng hỗn dịch)

SRT : Sludge retention time ( Thời gian lưu bùn)

SBR : Sequencing batch reactor ( Bể hiếu khí gián đoạn)

RBC : Rotating biological contactor (đĩa quay sinh học)

TKN : Total Kjeldahl Nitrogen ( tổng Nitơ ở dạng ammoniac/amoni)

SMP :Soluble microbial products (sản phẩm vi khuẩn hòa tan)

MỤC LỤC

Tổng Quan

1 Trạng thái tồn tại Nitơ trong nước thải

2 Tác hại của Nitơ trong nước thải

2.1 Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng

2.2 Tác hại ô hiễm Nitơ đến môi trường

2.3 Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước

I Cơ sở các quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

1 Quá trình Nitrate hóa

1.1 Các vi khuẩn tham gia quá trình Nitrate hóa

1.2 Quá trình Nitrate hóa bùn hoạt tính

1.2.1 Quá trình Nitrate hóa bùn bậc 1 1.2.2 Quá trình Nitrate hóa bùn bậc 2 1.3 Màng sinh học quá trình Nitrate hóa

1.4 Vai trò của tỷ số BODL/TKN

2 Quá trình phản Nitrate hóa

2.1 Các vi khuẩn tham gia quá trình phản Nitrate hóa

2.2 Quá trình phản Nitrate hóa bậc 3

2.2.1 Quá trình phản Nitrate hóa bậc 3 với bùn hoạt tính 2.2.2 Quá trình màng sinh học

2.3 Quá trình phản Nitrate hóa bùn bậc 1

2.3.1 Các quá trình cơ bản bùn bậc 1 2.3.1.1 Lưu giữ và tổng hợp sinh khối 2.3.1.2 Tiền khử Nitrate

2.3.1.3 Kết hợp quá trình nitrate hóa và phản Nitrate hóa 2.3.2 Quá trình biến đổi cơ bản bùn bậc 1

2.3.2.1 Quá trình Barnard 2.3.2.2 Bể phản ứng hàng loạt 2.3.2.3 Hệ thống màng sinh học

Quá trình ANAMMOX

II Kết Luận

I Tổng quan

1 Trạng thái tồn tại Nitơ trong nước thải

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chất hữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat)

+ Hợp chất hữu cơ chứa Nitơ là 1 phần cấu thành phân tử protein hoặc là thành phần phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê

+ Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng nitơ amôn (NH+4) trong nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm

Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ (35%) Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu Mỗi người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng số Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH2)2) là 0,7g, còn lại là các loại nitơ khác Urê thường được amoni hoá theo phương trình như sau

 Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:

CO(NH 2 ) 2 + 2H 2 O = (NH 4 ) 2 CO 3 (1.2)

 Sau đó bị thối rữa:

(NH 4 ) 2 CO 3 = 2NH 3 + CO 2 + H 2 O (1.3)

Như vậy NH3 chính là lượng nitơ amôn trong nước thải Trong điều kiện yếm khí amoniac cũng

có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khử nitrat của vi khuẩn Denitrificans

Lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước: 7 g/ng.ngày

+ Nitrit (NO2-)

Sản phẩm trung gian của quá trình ôxy hoá amoniac hoặc nitơ amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó nitrit hình thành tiếp tục được vi khuẩn Nitrobacter ôxy hoá thành nitrat

Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:

NH 4 + kn NO 2 - km NO 3 -

Trong đó: k n và k m là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá

Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu diễn như sau:

NH 4 + + 1,5O 2 Nitrosomonas NO 2 - + H 2 O + 2H +

NO 2 - + 0,5O 2 Nitrobacter NO 3

-NH 4 + + 2O 2 NO 3 - + H 2 O + 2H +

Quá trình nitrat hoá cần 4,57g ôxy cho 1g nitơ amôn Các loại vi khuẩn Nitrosomonas và

Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều kiện nhiệt độ từ 2030oC

Nitrit là hợp chất không bền, nó cũng có thể là sản phẩm của quá trình khử nitrat trong điều kiện yếm khí

Ngoài ra, nitrit còn có nguồn gốc từ nước thải quá trình công nghiệp điện hoá Trong trạng thái cân bằng ở môi trường nước, nồng độ nitrit, nitrat thường rất thấp, nó thường nhỏ hơn 0,02 mg/l Nếu nồng độ amoni, giá trị pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn Trong quá trình xử lý nước, nitrit trong nước sẽ tăng lên đột ngột

+ Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và có nguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành công nghiệp thực phẩm, hoá chất, chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ Khi vào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat hoá, tạo thành nitrat Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ chứa nitơ Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ ôxy trong hợp chất nitơ để cho các quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khi lượng ôxy hoà tan trong nước rất ít hoặc bị hết

Khi thiếu ôxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách ôxy khỏi nitrat và nitrit để

sử dụng lại trong các quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ khác Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vi khuẩn yếm khí tuỳ tiện) Trong điều kiện không có ôxy tự do mà môi trường vẫn còn chất hữu cơ cácbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit để lấy oxy cho quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ Quá trình khử nitrat được biểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:

4NO 3 - + 4H + + 5C hữu cơ 5CO 2 + 2N 2 + 2H 2 O

Trong quá trình phản nitrat hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử nitrit) và 2,85g O2 (khử nitrat)

2 Tác hại của Nitơ trong nước thải

2.1 Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng

Trên bình diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về môi trường Sự

có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng Khi trong nước thải có nhiều Amôniăc có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ôxy hoà tan trong nước Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng ôxy hoà tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Nitrat tạo chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ

sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa Khi lọt vào

cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thể ôxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

2.2 Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường

Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4 tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước

2.3 Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý

nước thải

Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình

xử lý làm giảm hiệu quả làm việc của các công trình

Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người

II Cơ sở các quá trình xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học

1 QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA

- Khái niệm: Quá trình nitrate hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amon

đầu tiên (NH4+-N ) thành nitrit (NO2-N) và sau đó thành nitrat (NO3-N) nhờ hoạt động của vi sinh vật (VSV) trong điều kiện thích ứng (có oxy và nhiệt độ trên 4oC) : NH4+-N

- Tầm quan trọng của quá trình nitrate hóa:

o Vì nhu cầu oxy ( lên đến 4,57g O2/g NH4+-N) và độc tố sinh ra từ các sinh vật

trong nước, nên sự chuyển hóa NH 4 + -N là bước cần thiết với một số loại nước thải

o Ngoài ra, xử lí nước thải cũng liên quan đến quá trình khử nitrate để biến đổi

NH4-N thành NO3-N

o Quá trình nitrate hóa để loại bỏ NH4-N từ nguồn nước cấp cũng được thực hiện

để làm cho nước bền vững về mặt sinh học

1.1 Các vi khuẩn tham gia quá trình Nitrate hóa

- Vi khuẩn nitrate hóa gồm: sinh vật tự dưỡng, hóa tự dưỡng, vi sinh vật hiếu khí

bắt buộc

o Vi sinh vật tự dưỡng: chúng cố định và khử carbon vô cơ Đây là một quá trình

tiêu tốn nhiều năng lượng, quá trình này giúp Vi sinh vật nitrate hóa tích lũy một giá trị fs0 và Y (nhỏ hơn Vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí)-luôn gây ô nhiễm hệ thống bùn hoạt tính và màng sinh học

o Vi sinh vật hóa tự dưỡng: làm và Y nhỏ hơn bởi vì nguồn cho điện tử của chúng giải phóng ít năng lượng trên một e tương đương so với nguồn cho điện tử hữu cơ

o Vi sinh vật hiếu khí bắt buộc: dùng O2 để hô hấp như một chất phản ứng trực tiếp cho sự oxy hóa NH4+ thành NH2OH (hydroxylamin) Chất sau cùng sử dụng oxy có thể là lí do tại sao Vi sinh vật nitrate hóa lại liên quan đến sự không dung

nạp của nồng độ thấp oxy hòa tan; quá trình dị hóa thấp do sự giới hạn nồng độ oxy không tương tác với Vi sinh vật dị dưỡng

 Nitrate hóa tự dưỡng (autotrophic nitrification)

- Quá trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: NH4+ được oxy hóa thành NO2- 1/6NH4+ + 1/4O2=1/6NO2- + 1/3H+ + 1/6H2O [9.1]

ΔG0’= -45,79kJ/e-eq

Chủng vi khuẩn thường dùng trong bước 1 là Nitrosomonas; tuy nhiên, Nitrosococcus,

Nitrosopira, Nitrosovibrio và Nitrosolobus cũng có thể oxy hóa NH4+ thành NO2- Nitrifiers oxy

hóa chủng amoni- có tiền tố là Nitroso Chủng Nitrosomonas và những loài thuộc chủng này

không nhất thiết là loài ưu thế

+ Giai đoạn 2: Sự oxy hóa NO2- thành NO3

-½ NO2- + ¼ O2 = ½ NO3- [9.2]

ΔG0’= -37,07kJ/e-eq

Mặc dù Nitrospira, Nitrospina, Nitrococcus và Nitrocystis vẫn hiện diện trong phản ứng ở giai đoạn 2, nhưng Nitrobacter là chủng vi sinh oxy hóa NO2- phổ biến nhất Trong chủng

Nitrobacter, nhiều loài phụ dễ nhận thấy, ngoại trừ những loài có mối liên hệ di truyền trong

cùng chi alpha của proteobacteria (Teske et al.,1994) Những nghiên cứu gần đây dùng máy dò

oligonucleotide chỉ ra đoạn 16S rARN của Nitrobacter, việc này cho thấy rằng Nitrobacter không phải là chủng oxy hóa nitrite quan trọng nhất trong quá trình xử lý nước thải Nitrospira

được biết như một nitrifier trội hơn

Nitrobacteria Nitrospira

Khi nitrifiers tồn tại trong môi trường có mặt những hợp chất hữu cơ như những nhà máy xử lý nước thải, kì lạ là chúng không phát triển bằng cách sử dụng những phân tử hữu cơ như là nguồn carbon của chúng Trong khi lý do sinh hóa mà nguồn carbon hữu cơ được loại trừ vẫn chưa được biết đến thì sự duy trì tính lệ thuộc tự dưỡng của chúng có lẽ nhờ vào sự liên kết tiến hóa với Vi sinh vật quang hóa

Các phản ứng oxy hóa ammonia thành nitrite hay oxy hóa nitrite thành nitrate là các quá trình sinh năng lượng Năng lượng giải phóng từ quá trình nitrate hóa được vi khuẩn sử dụng cho quá trình tăng trưởng của chúng

 Nitrate hóa dị dưỡng

Quá trình nitrate hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ có thể được thực hiện bởi 1 số vi khuẩn dị

dưỡng như Arthrobacter, Flavobacterium, Thiosphaera

Phương trình phản ứng Nitrate hóa dị dưỡng

R-NH 2 R-NHOHRNONO 3

Khác với vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng oxy hóa trực tiếp NH3, các vi sinh vật nitrate hóa dị dưỡng oxy hóa các hợp chất Nitơ dạng khử như hydroxylamine, aliphatic và hợp chất chứa nhân thơm Một điểm khác nhau nữa là, quá trình nitrate hóa dị dưỡng không sinh năng lượng

Do vậy để cung cấp năng lượng cho quá trình trao đổi chất, vi sinh vật phải phân giải cơ chất hữu cơ để khai thác năng lượng

Bảng 9.1 và 9.2 tóm tắt những thông số gốc và cơ bản, mô tả hóa học lượng pháp và động năng của tác nhân oxy hóa amoni và nitrit một cách trình tự

Bảng 9.1: Giá trị thông số tác nhân oxy hóa amoni từ 5 đến 25oC

Tốc độ tăng trưởng cực đại của cả hai nhóm đều thấp, với cả hai ít hơn1/ d ở 20oC Với các giá trị của ̂ nhỏ như vậy , giá trị giới hạn của phải lớn: Tất cả các giá trị lớn hơn 1d Mặtkhác, nitrifiers có thể tác động nồng độ hoặc đến mức rất thấp, vì giá trị Smin dưới 1mg/ l Như vậy, quá trình nitrat hóa có thể có hiệu quả cao, miễn là SRT được duy trì trên và đủ oxy hòa tan Các giá trị định lượng K0 tương đối cao mà nitrifiers không hấp nồng độ DO thấp Tiếp tục hoạt động với một D.O.dưới K0 sẽ tăng cho nitrifiers và có thể dẫn đến rửa trôi, cũng như -N trong dòng thải

Các tác dụng nhiệt độ được hiển thị trong bảng 9.1 và 9.2 là khá quan trọng, bởi vì quá trình nitrat hóa đôi khi không thể xảy ra khi nhiệt độ nước thấp Trong thực tế, quá trình nitrat hóa ổn định có thể được duy trì ở mức 50C hoặc thấp hơn, miễn là SRT vẫn còn đủ cao Đối với 50C, một yếu tố an toàn chỉ có 5 yêu cầu rằng θx được 3.6x5 = 18d Một vấn đề của quá trình nitrat hóa ở nhiệt độ thấp là μ trở nên rất nhỏ, làm cho sự phục hồi quá trình nitrat hóa sau khi rửa trôi diễn ra chậm.Vì vậy, để tránh nitrifier rửa trôi do bùn dư thừa hoặc DO thấp, hoặc ức chế phải

là một ưu tiên tuyệt đối, đặc biệt là đối với nhiệt độ thấp

So sánh trực tiếp các thông số, chẳng hạn như f0

cùng SRT và nồng độ oxy Các thông số giới hạn tương ứng phản ánh sự tương đồng của sinh hóa và sinh thái

Phương trình sau đây là một phản ứng cân bằng tổng thể cho quá trình oxy hóa hoàn toàn :

+ 1.815 O2 + 0.1304 CO2 = 0.0261 C5H7O2N + 0.973 + 0.921 H2O +

Bên cạnh việc hình thành mạng lưới nitrifier thấp (Ynet = 0.21g VSSa/g N), phương trình này minh họa hai tính năng quan trọng khác của quá trình nitrat hóa Đầu tiên, quá trình nitrat hóa tạo ra một nhu cầu oxy lớn Trong ví dụ này, lượng oxy cần thiết là 1.815 x 32/14 = 4.14 g O2 /

g NH4 +-N Thứ hai, quá trình nitrat hóa gần như sinh ra 2 acid mạnh sau khi loại bỏ NH4+ Trong các đơn vị khối lượng thông thường, độ kiềm tiêu thụ là 1.973 x 50/14 = 7.05 g CaCO3 /

g NH4+ - N Bước đầu tiên, quá trình oxy hóa amoni, chịu trách nhiệm cho việc sản xuất acid Nitrifiers sản xuất các sản phẩm vi khuẩn hòa tan, có thể được tiêu thụ bởi các vi khuẩn dị dưỡng (Rittmann, Regan, Stahl, năm 1994; deSilva và Rittmann, 2000a, b) Điều đó thể hiện rằng hầu hết SMP mà nitrifier sản xuất là BAP SMP nói chung rất quan trọng: Đây là một phần của quá trình phân hủy của các nitrifiers và giảm lượng tổng hợp của nitrifiers Ngoài ra

nitrifiers tạo e cho sinh vật dị dưỡng và tăng sinh khối dị dưỡng

Nitrifiers được cho là rất nhạy cảm với sự ức chế hóa học Tốc độ tăng trưởng rất chậm của nitrifiers làm tăng tác động tiêu cực của sự ức chế, theo một hướng nào đó có vẻ như là nitrifiers thì nhạy cảm hơn so với những sinh vật sinh trưởng nhanh Hơn nữa, một số chất ức chế rõ ràng là nguồn cung cấp e có quá trình oxy hóa làm cạn kiệt DO và có thể là nguyên nhân làm giảm oxy Tuy nhiên, nitrifiers nhạy cảm với sự ức chế từ nhiều hợp chất hữu cơ cơ và vô cơ Trong số những vấn đề có liên quan nhất là: mạng lưới NH3 (ở pH cao hơn), không phân ly HNO2 (thường là ở pH thấp), bề mặt anion, kim loại nặng, hóa chất khử trùng bằng clo hữu cơ,

và pH thấp

Một vấn đề gây tranh cãi là mixotrophy (Nguồn gốc của trao đổi năng lượng từ sự kết hợp của

quá trình quang hóa và một nguồn năng lượng bên ngoài), trong đó nitrifiers sử dụng một nguồn

carbon hữu cơ và một nguồn e vô cơ Mixotrophy sẽ làm giảm đáng kể năng lượng- chi phí tổng

hợp tế bào, do đó làm tăng Y và ̂ Các trường hợp tăng trưởng mixotrophic cho thấy giá trị gia tăng của Ynet và ̂ , nhưng không phải tất cả các kết quả là chắc chắn Hơn nữa, sự trao đổi

nitrifiers không có ô nhiễm từ sinh vật dị dưỡng là cực kỳ khó khăn Mặc dù mixotrophy không

thể giảm, khi nghiên cứu kỹ, quá trình nitrat hóa sẽ phản ứng theo một kiểu phù hợp với sự tự dưỡng đồng hóa hoàn toàn

1.2 Quá trình Nitrate hóa bùn hoạt tính

1.2.1Quá trình nitrat hóa bùn bậc một

- Là quá trình trong đó vi khuẩn dị dưỡng và vi khuẩn nitrat cùng tồn tại trong một hỗn hợp

đồng nhất, tại đó oxy hóa đồng thời amoni và BOD hữu cơ Bùn bậc một chứa các VI KHUẩN

nitrat hóa và sinh vật dị dưỡng, thực hiện đồng thời sự chuyển hóa

Low BOD LowNH4+

dị dưỡng: chúng hiện cùng nhau trong one sludge, hay một nhóm VI KHUẩN)

Chú ý rằng nồng độ nạp vào được biểu diễn bằng TKN, thay vì NH4+–N Nước thải thường gồm

1 phần đáng kể lượng nitơ dạng khử như nitơ hữu cơ Trong hầu hết các giai đoạn của quá trình nitrát hóa, nitơ hữu cơ thủy phân thành NH4+–N, hợp chất cần cho quá trình nitrát hóa Do vậy, đại lượng đo chính xác lượng nitơ dạng khử của dòng vào phải là TKN, không phải NH4+–N Đầu tiên ta phải chọn giá trị Vì [ min]lim quá lớn cho quá trình nitrát hóa, chúng ta chỉ sử dụng một giá trị xấp xỉ cho quá trình Bảng 9.1 và 9.2 cho biết rằng [ min

]lim xấp xỉ 2 d ở T = 15C° Áp dụng một hệ số an toàn là 10 ta có:

= 0.34 mg BODL/l

= 0.18 mg NH4+ -N/l

= 0.17 mg NO2—N/l

Aerobic BOD Oxidation Nitrification > 15 days

Thứ 3, tính toán sản phẩm VSS ước lượng của tất cả các dạng sinh khối Ta bắt đầu với các quá trình dị dưỡng hiếu khí

= ( )

10-3

Trong oxi hóa nitrít, ta lặp lại các quá trình giống như với oxi hóa ammonium, No2 là giá trị

NO2- –N sử dụng cho bước 2 của quá trình nitrát hóa

VSS trơ đi qua

Đương lượng oxy đầu vào:

Đương lượng O2 đầu ra:

OD /mg VSS, như khi được sử dụng trong đầu vào và đầu ra

Vì vậy, tổng lượng oxy cần thiết là:

số tải ở chương 6) Ta dung giá trị trung bình 12m/d Dựa vào tiêu chuẩn này, nước mặt trong

bể lắng cần thiết xấp xỉ (ta bỏ qua phần vận tốc đáng kể của dòng bùn trong nước thải)

As =

= 41.7 m2

Dòng rắn trong bể hiếu khí mở rộng được duy trì ổn định, khoảng 70kg/m2-d (xem bảng ở chương 6) Để tính toán dòng vật chất rắn, ta cần một sự xác định của vận tốc dòng tái sử dụng, vận tốc này quyết định nồng độ của chất rắn dưới đáy

Xrv Ta giả sử Xrv=8.000 mg VSS/l Lúc này, sử dụng phương trình 6.14a:

Qr = Q

= 500 m3/d

Vận tốc dòng chảy tràn kiểm soát trong điều kiện này As = 42m2

1.2.2 Quá trình Nitrate hóa bùn bậc 2

- Là quá trình nitrat hóa triệt để nhằm giảm sự cạnh tranh giữa sinh vật dị dưỡng và VI KHUẩN

nitrat hóa bằng cách oxy hóa hầu hết BOD hữu cơ trong giai đoạn đầu tiên, trong khi ammoni bị oxy hóa trong giai đoạn hai

BODo Low BOD Low BOD

Aeration

Aeration Sludge recycle

Sludge recycle Sludge

waste Bao gồm hai hệ thống bùn hoạt tính hòan chỉnh Vì sinh khối trong mỗi giai đoạn được giữ lại

và hoàn lại, mỗi giai đoạn phát triển sinh khối riêng của nó

Thiết kế bùn bậc 2

Thiết kế sơ bộ hệ thống nitrate hóa bùn bậc 2

Bước đầu tiên, ta chặn quá trình nitrate hóa bằng cách sử dụng x ta chọn 4d, mức bình thường không cho phép nitrate hóa Kế đến, ta tính toán lượng bùn, nhu cầu oxy và kích thước theo mô hình ví dụ trên (Và lần nữa, ta lại bỏ qua SMP để đơn giản hóa)

Đối với một nồng độ tải lượng,

- Trong trường hợp này, As = 15m2

- Đối với giai đoạn thứ hai, giả định rằng sự oxi hóa BOD và sự tăng trưởng dị dưỡng là không đáng kể Đây là một sự đơn giản hóa đáng kể, bởi vì (1) giai đoạn thứ hai có sinh vật dị dưỡng hoạt động và SMP từ giai đoạn đầu tiên thải ra, và (2) những sinh vật nitrate hóa trong giai đoạn thứ hai sản xuất SMP tạo thuận lợi cho sự phát triển cho đời sống dị dưỡng.Tuy nhiên, những biến đổi này yêu cầu một số giả định quan trọng về các yếu tố không chắc chắn, đặc biệt là thực hiện của các chất rắn dễ bay hơi và sự hình thành SMP bởi những sinh vật nitrate hóa Bỏ qua những yếu tố này có thể tạo sự đánh giá thấp của

Xv, điều này ảnh hưởng đến khối lượng của hệ thống và khu vực định cư

- Đặt θ= 20d cho giai đoạn 2 SRT NH4+ -N và NO2- - N còn lại tương ứng 0.18 và 0.17 mg/l Như trước đây, chúng ta phải điều chỉnh các TKN đầu vào để đưa vào N đồng hóa thành sinh khối dị dưỡng trong giai đoạn đầu và giải thoát từ sự suy giảm sinh khối dị dưỡng từ giai đoạn đầu tiên là 0,52 kg NH4

+ - N / d (tính toán sau đó và được sử dụng ở đây)

- Sự oxy hóa ammonia :

=500 (38.6 – 0.17) 0.083

10-3 =0.80kg VSS/d

- Giả định rằng 20mg VSS/l không bị loại bỏ trong giai đoạn đầu tiên và bước vào giai đoạn thứ hai, nó chứa 80% sinh khối hoạt động, và sinh khối hoạt động này phân rã với một tỷ lệ là 0,1 / d.Tỷ lệ đầu vào là:

- Sự gia tăng NH4+-N do phân hủy của sinh khối dị dưỡng là:

(

tăng=0.124(8 – 2.7 – 1) = 0.52kg NH4+ - N/d

- Lưu ý ở đây rằng Vi sinh vậtnitrate hóa hoạt động khoảng một phần ba VSS tổng, mặc

dù đã bỏ qua các đầu vào của BOD từ chất nền hoặc SMP Điều này cho thấy rằng giai đoạn thứ hai thường được hoàn toàn thực hiện bởi Vi sinh vậtnitrate hóa

- Lượng oxy cân thiết được tính như sau:

Đầu vào O2 tương đương = 500[4.57 39.6 + 1.42 4 + 1.98 16] 10-3

=109 kg OD/d Sản lượng O2 hòa tan tương đương =500[4.57 0.18 + 1.14 0.17] 10-3

Sản lượng O2 rắn tương đương=1.42 2 + 1.98 (2.7 + 1.1 + 3.3 + 0.8)

= 123 m3/d

Và R = 0.25

As=

= 8.9 m2

- Một lần nữa, kiểm soát tỷ lệ tràn, As = 42 m2

Bảng 9,3 so sánh one-sludge và two-sludge từ ví dụ 9.1 và 9.2 Nó thể hiện sự cân bằng tổng hợp giữa hai phương pháp

Hệ thống one-sludge bùn thải ít hơn, SRT cho BOD oxi-dation lớn, nhưng nhu cầu oxy của nó lớn

So sánh thiết kế bùn bậc 1 và thiết kế bùn bậc 2

Hệ thống bùn bậc 1 có ít bùn thải hơn, vì thời gian lưu bùn cho oxi hóa BOD của nó lớn,

nhưng nhu cầu oxy của nó lớn hơn

Table 9.3 So sánh one-sludge và two-sludge từ ví dụ 9.1

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Tổng

- Tổng thể tích hệ thống bùn 1 lớn hơn, một lần nữa do SRT dài cho những sinh vật dị dưỡng

1.3 Màng sinh học quá trình Nitrate hóa

Tất cả các quá trình màng sinh học hữu ích cho quá trình oxy hóa hiếu khí BOD cũng có thể được sử dụng để thực hiện quá trình nitrat hóa, miễn là thiết kế của quy trình thích hợp tốc độ tăng trưởng chậm nhất định vốn có của vi khuẩn nitrate hóa và sự cạnh tranh giữa vi khuẩn nitrate hóa và Vi sinh vật dị dưỡng về oxy và không gian sống.Các thông số của quá trình nitrat hóa tiêu biểu được liệt kê trong bảng 9,4

Bảng 9.4 Các thông số cơ bản và có nguồn gốc từ quá trình oxy hóa NH4 + - N

20 1.3 1.04

10 0.004 0.17 0.30 1.85 0.072

Ghi chú:

1 Giá trị chung cho T=15oC

2 Chất nền hạn chế là NH4+ -N, trong đó giả định rằng bước đầu tiên của quá trình nitrat hóa là hạn chế

3 Giả định rằng vi sinh vật nitrate hóa tồn tại chủ yếu là sâu bên trong một màng lọc sinh học để tránh bị tách rời

- Hình 9.2 trình bày đường cong sức tải điển hình cho các vi khuẩn nitrate hóa và chỉ ra rằng quá trình nitrat hóa màng sinh học thành công nhất hoạt động trong khu vực chuyển tiếp giữa tải trọng thấp và tải cao, có nghĩa là, J / JR từ: 0.2 đến 1.1 ( xem lại phần tiêu chuẩn hóa sức chứa

bề mặt trong chương 4) Bởi vì Smin rất nhỏ (0.17mg NH4+-N trong bảng 9.4) Khoảng phạm vi sức chứa tiêu chuẩn chung làm cho tỉ lệ S/Smin có giá trị từ 1.6 – 6 để giữ cho S phải nhỏ hơn 1mg NH4+-N/l

Hình 9.2 Kết quả thí nghiệm và kinh nghiệm cho thấy Vi sinh vật nitrate hóa có xu hướng tập trung nhiều hơn ở bề mặt dính bám, trong khi Vi sinh vật dị dưỡng chiếm ưu thế ở phía phía ngoài bề mặt của màng sinh học Sự phân chia này là hệ quả tất yếu của mức độ tăng trưởng nhanh hơn của

vi sinh vât dị dưỡng, cho phép chúng tồn tại ổn định tại những vùng xảy ra sự tách rời lớn của màng sinh học Mặt khác, Vi sinh vật nitrate hóa tập trung ở sâu bên trong màng sinh học, nơi chỉ 1 phần nhỏ được bảo vệ khỏi sự tách rời

Việc các Vi sinh vật nitrate hóa sâu phía trong màng sinh học, giúp chúng ổn định sự phát triển chậm, chống lại sự rửa trôi, nó còn làm tăng sự nhạy cảm của chúng đối với lượng oxy, vì oxy hòa tan phải khuếch tán qua lớp vi sinh vật dị dưỡng trước khi đến với Vi sinh vật nitrate hóa Khi điều này kết hợp với độ nhạy với lượng oxy tương đối cao của Vi sinh vật nitrate hóa (vd:

Ko=0.1mg/ l cho nhiều sinh vật dị dưỡng trong khi nó ở khoảng 0.5 mg/l cho vi sinh vật Nitrát hóa), sẽ có thể vô hiệu những lợi ích của sự bảo vệ, trừ khi nồng độ D.O trong chất lỏng được duy trì đủ cao Ví dụ như, Furumai và Rittmann (1994) mô tả sự giảm sút trong số lượng vi sinh vật Nitrát hóa và gia tăng trong nồng độ NH4+ -N và NO2- cho ra khi tổng nồng độ D.O giảm xuống khoảng 3 mg/l, ngay cả khi những vi sinh vật Nitrát hóa đã được bảo vệ sâu bên trong màng sinh học Giữ lượng tải bề mặt thấp sẽ có thể loại bỏ những tác động xấu của sự cạn kiệt D.O

Trong thực tế, áp đặt một lượng tải bề mặt tối đa BOD hoặc COD, trong khoảng từ 2 đến 6 kg BODL/1000 m2-d, sẽ kiểm soát sự cạnh tranh bởi sinh vật dị dưỡng Giữ lượng tải hữu cơ dưới

2 đến 6 kg BODL/1000 m2-d sẽ cho phép ta giữ một nồng độ D.O lỏng vừa đủ và ngăn chặn tắc