Các phương pháp loại bỏ ni tơ trong nước thải

Các phương pháp loại bỏ ni tơ trong nước thải Có 5 cách để loại bỏ Nitơ hoàn toàn: 1 Các dạng của Nitơ được chuyển hóa hầu hết thành khí Nitơ, N2k, cũng có thể là một lượng nhỏ oxit

Các phương pháp loại bỏ ni tơ trong nước thải

Có 5 cách để loại bỏ Nitơ hoàn toàn:

(1) Các dạng của Nitơ được chuyển hóa hầu hết thành khí Nitơ, N2(k), cũng có thể là một lượng nhỏ oxit nitơ, N2O(k), oxit nitric, NO(k), đây là những khí có thể thoát ra ngoài môi trường Quá trình chuyển hóa này được thực hiện trong một hệ thống xử lý sinh học (theo sau quá trình nitrat hóa là các quá trình phản nitrat hóa hoặc nitrat hóa đồng thời/phản nitrat hóa) hoặc bằng phương pháp hóa học (sử dụng phương pháp Clo hóa)

(2) Nitơ được hấp thụ bởi sinh khối vi sinh vật được theo sau quá trình loại bỏ các chất rắn có hiệu quả

(3) Loại bỏ ammoniac (stripping - tách khí) có trong nước thải thông qua sự loại bỏ NH3 ở pH cao

(4) Sự trao đổi ion tạo thành các ion hóa học như NH4+ hoặc NO3- sử dụng tương ứng một cation hoặc một nhựa trao đổi ion Ví dụ như zeolite clinoptilolite trong tự nhiên có xu hướng phản ứng về phía amoni hơn là với các cation cạnh tranh khác

(5) Có thể sử dụng quá trình tách màng như màng lọc nano hoặc màng thẩm thấu ngược để loại bỏ các nitơ ở dạng liên kết và nitơ ở dạng hòa tan Sự biến đổi đạt hiệu quả tùy thuộc vào loại màng và các dạng tồn tại của nitơ Quá trình tách màng ion như đối với màng thẩm thấu ngược sẽ loại bỏ tất cả các nitơ ở dạng liên kết và nitơ ở dạng hòa tan trong nước thải Các nitơ ở dạng liên kết như các mảnh vụn hữu cơ, bao gồm vi khuẩn sẽ được loại bỏ với quá trình phân hủy các chất rắn Lưu ý: các dòng được thải từ quá trình tách màng vẫn còn chứa nitơ, cần được xử lý và loại bỏ hoàn toàn

Bảng 1. Tóm tắt những sự lựa chọn khác nhau cho quá trình loại bỏ hoặc

chuyển đổi Nitơ từ một dạng này sang dạng khác. 

rDON: refractory dissolved organic nitrogen - Nitơ ở dạng hữu cơ hòa tan khó phân hủy

1.1 Quá trình loại bỏ nitơ sinh học

Nitơ trong nước thải đầu vào hầu hết chứa nitơ ở dạng hữu cơ và ammoniac Quá trình loại bỏ nitơ sinh học (BNR) bao gồm một chuỗi các phản ứng sinh học chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ từ dạng này sang dạng khác Hình 1 tóm tắt các quá trình loại bỏ nitơ khác nhau trong nước thải

Hình 1: Các phương pháp loại bỏ nitơ (EDR= electrodialysis reversal - điện

phân đảo chiều, IFAS = integrated fixed-film activated sludge - bùn hoạt tính màng dính bám tích hợp cố định, MBBR = moving bed biofilm reactor - bể phản ứng giá thể di động, NDN= nitrification-denitrification-nitrat hóa - phản nitate hóa, NF = nanofiltration - lọc nano, RO = reverse osmosis - thẩm thấu ngược, SBR = sequencing batch reactor - bể phản ứng theo mẻ)

1.1.1 Quá trình chuyển hóa nitơ sinh học

Các dạng của nitơ chủ yếu và sự chuyển hóa của nó được thể hiện trong bảng 2 Sự oxy hóa và khử thường làm thay đổi pH của nước Quá trình nitrate hóa làm giảm pH môi trường (tức là cứ 7.14 mg kiềm sẽ khử 1mg NH4-N) và quá trình khử làm tăng lại pH của môi trường (cứ 3.5 mg kiềm sẽ oxy hóa 1 mg NO3-N)

1.1.1.1 Nitơ ở dạng hữu cơ:

Nitơ có trong nước thải thường ở dạng liên kết hoặc hòa tan Nitơ hữu cơ ở dạng liên kết bao gồm sinh khối của vi sinh vật và Nitơ hữu cơ dạng liên kết

có trong nước thải đầu vào Nitơ ở dạng hòa tan (DON) có trong nước thải đầu vào và cũng có thể được tạo ra trong quá trình xử lý

Bảng 2. Các quá trình chuyển hóa và loại bỏ nitơ

AOB = ammonia oxidizing bacteria - vi khuẩn oxy hóa ammoniac; bDON = biodegradable dissolved organic nitrogen - Nitơ ở dạng hữu cơ hòa tan không phân hủy sinh học; rDON = refractory dissolved organic nitrogen - Nitơ ở dạng hữu cơ hòa tan chịu nhiệt; và NOB = nitrite oxidizing organism - vi khuẩn oxy hóa nitrit

DON thường nhiều loại hơn Một phần nitơ ở dạng hữu cơ hòa tan trong hệ thống xử lý nước thải có thể phân hủy sinh học, những loại nitơ đó được gọi

là “DON có khả năng phân hủy sinh học” hay được viết tắt là bDON Một phần còn lại của DON không được chuyển hóa trong quá trình xử lý sinh học

và được giữ lại trong suốt quá trình xử lý Phần nhỏ này đôi khi được gọi là

“nitơ ở dạng hữu cơ hòa tan khó phân hủy” (rDON) hoặc “DON không có khả năng phân hủy sinh học” (non-bDON) Cả rDON và non-bDON thường có trong nước thải đầu vào đến WWTP và cũng có thể được tạo thành như một sản phẩm phụ của quá trình xử lý sinh học (Pehlivanoglu-Mantas and Sedlak, 2006) “Khả năng phân hủy sinh học” được nói ở trên đề cập đến một quần

thể vi sinh trong quá trình xử lý nước thải sinh học Một khía cạnh quan trọng của rDON là tính ứng dụng về mặt sinh học của nó tác động đến hệ sinh thái thủy sinh Mặc dù một vài nghiên cứu trước đây cho thấy rằng nước thải có chứa rDON có thể được các thực vật phù du (ví dụ như tảo) sử dụng, tuy nhiên tác động của nó đến sự kích thích sinh trưởng của tảo, sự lựa chọn các loài vẫn đang là một ẩn số (Bronk, 2002; Koopmans and Bronk, 2002; Minor

et al., 2006; Pehlivanoglu-Mantas and Sedlak, 2006)

Nitơ ở dạng hữu cơ là một nguyên nhân đáng kể gây khó khăn cho quá trình

xử lý nước thải đạt tổng nồng độ nitơ thấp Nitơ hữu cơ ở dạng liên kết có thể được loại bỏ trong quá trình phân hủy các chất rắn như quá trình lắng, lọc, và quá trình tách màng Các dạng nitơ hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học (cả ở dạng rắn và hòa tan) có thể được loại bỏ trong quá trình xử lý sinh học bằng cách thủy phân nitơ hữu cơ thành ammoniac Một phần nitơ hữu cơ có thể không được loại bỏ trong quá trình xử lý và có thể còn trong nước thải đầu ra Phương pháp keo tụ cộng với quá trình phân hủy chất rắn sau đó có thể loại bỏ một phần nitơ hữu cơ dạng nhũ tương có trong rDON

1.1.1.2 Ammoniac

Trong thực tế, ammoniac được oxy hóa thành nitrate trong quá trình nitrate hóa - quá trình chuyển đổi ammoniac, NH4+ chuyển hóa thành nitrite - NO2-,

và cuối cùng chuyển hóa thành nitrate NO3- Nitrit hóa - quá trình chuyển hóa ammoniac thành nitrit nhờ vi khuẩn oxy hóa ammoniac (AOB) Phần lớn AOB

sinh trưởng trong bùn hoạt tính mà đại diện là vi khuẩn Nitrosomonas sp.

Quá trình oxy hóa được tiếp tục chuyển hóa nitrit thành nitrate được thực

hiện bởi vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) mà đại diện là vi khuẩn Nitrobacter sp.

Công nghệ sinh học phân tử hiện đại cho phép xác định các nhóm khác nhau

của AOB và NOB: AOB bao gồm các lớp -proteobacteria  và -proteobacteria 

và NOB bao gồm các chi Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira, và Nitrospina Tuy nhiên, chỉ có 3 nhóm chính có thể được tìm thấy trong nước thải đó

là -proteobacteria của nhóm AOB và các chi Nitrospira, Nitrobacter của nhóm

NOB (Koops et al., 2003; Purkhold et al., 2000; Schramm, 2003) Thông thường, vi khuẩn nitrat tự dưỡng nhạy cảm với điều kiện môi trường (nhiệt

độ, pH, chất độc) hơn vi khuẩn nitrat dị dưỡng Trong quá trình nitrat hóa thông thường, động lực học của tổng quá trình bị hạn chế bởi bước oxy hóa ammoniac và nitrit được chuyển hóa một cách ngẫu nhiên bởi NOB Theo kết quả đã tính toán, thông thường lượng nitrit nhỏ nhất (< 0.2 mg/L) trong điều kiện nitrat hóa đầy đủ là luôn ổn định

1.1.1.3 Nitrit

Thông thường, nitrit không có trong nước thải đầu vào nhưng được tạo ra trong quá trình oxy hóa ammoniac bởi AOB và trong quá trình phản nitrat không được hoàn thành Thông thường, nitrit được oxy hóa ngẫu nhiên thành nitrat bởi NOB Những vi khuẩn này thường nhạy cảm với sự thay đổi điều

kiện môi trường (pH và đặc biệt là oxy hòa tan) và sự oxy hóa nitrit bị hạn chế dưới điều kiện môi trường bất lợi Nitrit là sản phẩm không mong muốn được tạo ra bởi nó cản trở quá trình Clo hóa (Neethling et al., 1997)

Nitrit có thể tạo thành khí Nitơ nhờ quá trình phản nitrat Nitrit không mong muốn được tạo thành thông qua con đường BNR vì quá trình oxy hóa nitrit làm giảm nhu cầu oxy khoảng 25 % và làm tăng nhu cầu nguồn Carbon khoảng 40 % (đối với quá trình phản nitrat sau đó) Bên cạnh đó, tỷ lệ của quá trình phản nitrit và nitrit được tạo ra là 1.5 đến 2 cao hơn so với tỷ lệ của quá trình phản nitrit và nitrat (Abeling and Seyfried, 1992) Thêm vào đó, lượng bùn được tạo thành trong quá trình này là ít nhất ( từ 0.8 đến 0.9 so với từ 1 đến 1.2 kg khối lượng khô/kg-N, theo Mulder, 2003) AOB tạo thành nitrit dựa trên sự sinh trưởng, ái lực oxy hoặc đặc tính ức chế giữa AOB và NOB Trong số các phương pháp loại bỏ ammoniac thì phương pháp bể phản ứng đơn cho kết quả cao (Hellinga et al., 1998) Phương pháp này giúp đạt được quá trình nitrat hóa/phản nitrat một cách ổn định và hoạt động trong một số bể phản ứng quy mô đầy đủ Quá trình nitrat hóa và phản nitrat một phần đang được quan tâm gần đây Bể phản ứng SHARON vận hành ở nhiệt khá cao (30-400C), pH trung hòa (pH= 7.0) và thời gian lưu (SRT) ngắn: ít hơn

1 đến 2 ngày Dưới những điều kiện này, NOB sinh trưởng chậm hơn AOB Do vậy, chúng bị loại ra khỏi bề phản ứng (Mulder et al.,2006)

1.1.1.4 Nitrat

Nitrat là sản phẩm của quá trình nitrat hoá Trong điều kiện vắng mặt oxy hòa tan, vi khuẩn sẽ sử dụng nitrate là chất nhận điện tử cuối cùng và chuyển hóa nitrat thành khí nitơ thông qua quá trình phản nitrat Quá trình phản nitrat đòi hỏi phải có nitrat, nguồn Carbon, vi khuẩn phù hợp, và điều kiện kỵ khí Tốc độ của quá trình phản nitrat hóa phụ thuộc chủ yếu vào khả năng cho điện tử (của nguồn Carbon)

Quá trình phản nitrat xảy ra dưới hai điều kiện riêng biệt sau:

(1) Phản nitrat hóa nhanh có được khi cơ chất bên ngoài (ví dụ như nhu cầu oxy sinh học (BOD) trong nước thải hoặc methanol) có sẵn để đáp ứng cho sự sinh trưởng của vi sinh vật Phản nitrat ở cấp độ cơ chất diễn ra tương đối nhanh chóng và thông thường thực hiện ở 0.03 đến 0.11 kg NO3-/kg VSS (Hiệp hội Soap và Detergent, 1989) Nồng độ cơ chất (tỷ lệ F/M) các loại cơ chất ảnh hưởng đến tốc độ phản nitrat Nhu cầu oxy hóa học (COD) đáp ứng cho việc loại bỏ NO3 (COD/NO3-) phụ thuộc vào năng suất và thời gian lưu (SRT)

(2) Quá trình phản nitrat chậm diễn ra khi vi khuẩn sử dụng nitrat dưới điều kiện nồng độ cơ chất bên ngoài thấp, quá trình này đôi khi được gọi là “quá trình phản nitrat cấp độ nội bào” Sự phân hủy và ly giải vi sinh vật cung cấp một nguồn Carbon cho quá trình phản nitrat dưới điều kiện nội bào chiếm ưu

thế Quá trình phản nitrat cấp độ nội bào diễn ra chậm và diễn ra thông thường ở tỷ lệ giữa 0.01 và 0.03 kg NO3-/kg VSS-d (Stensel, 1981) Những tỷ

lệ này liên quan đến thời gian lưu tế bào có ý nghĩa (MRCT),hoặc một phần sinh khối

Nitrat cũng có thể được sử dụng làm chất dinh dưỡng hỗ trợ cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật khi ammonia tồn tại ở một lượng giới hạn

1.1.2 Xử lý Nitơ không thông qua quá trình chuyển hóa sinh học

Nitơ là một chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Vi khuẩn (và các vi sinh vật khác) thường sử dụng ammoniac và nitrat cho sự sinh trưởng của chúng Quá trình xử lý sinh học thông thường thì không được thiết kế cho sự loại bỏ các chất dinh dưỡng, do đó, loại bỏ nitơ là một phần của sự sinh trưởng sinh học thông thường Thông thường, sinh khối chứa từ 7 % đến 10 % nitơ (chất rắn dễ bay hơi) (Quỹ nghiên cứu môi trường nước [WERF], 2003)

(Nghĩa là sinh khối tiêu thụ Nitơ cho hoạt động sống của nó, chứ không phải

chuyển hóa chúng bằng quá trình chuyển hóa sinh học)

1.1.3 Quá trình sinh trưởng lơ lửng

Quá trình xử lý bùn hoạt tính là một hệ thống xử lý sinh trưởng lơ lửng thông thường của vi sinh vật Tại đó, vi sinh vật được để lơ lửng dưới những điều kiện thích hợp cho phép chúng sinh trưởng và tiêu thụ các chất dinh dưỡng trong nước thải Quá trình nitrat hóa có thể tách biệt với quá trình oxy hóa Carbon (quá trình loại bỏ BOD) trong hệ thống xử lý bùn hoạt tính với một quá trình - hai giai đoạn với tốc độ cao Giai đoạn đầu là loại bỏ BOD, tiếp sau

đó là giai đoạn nitrat hóa với tốc độ thấp Quá trình phản nitrat được thêm vào như một quá trình xử lý sinh học bậc ba Thông thường có thêm một nguồn Carbon từ bên ngoài ví dụ như methanol

Nhiều quá trình sinh trưởng lơ lửng phụ thuộc đồng thời vào sự loại bỏ BOD, nitrat hóa và phản nitrat diễn ra trong cùng một quá trình Hệ thống sinh trưởng lơ lửng được thiết kế để cung cấp một môi trường và chất dinh dưỡng thích hợp bằng cách điều chỉnh cường độ sục khí và bùn tuần hoàn Cường

độ sục khí giúp tạo ra môi trường hiếu khí cho quá trình nitrat hóa và oxy hóa BOD, môi trường thiếu khí (không phải hiếu khí) cho quá trình phản nitrat, môi trường thiếu khí (một lượng rất thấp oxy hòa tan) cho đồng thời cả sự oxy hóa BOD và ammoniac hoặc cho quá trình hoạt động theo từng giai đoạn (mở, tắt sục khí theo tuần tự) để nitrit hóa và phản nitrit trong các pha riêng biệt (Neethling, et al., 2007; WERF, 2004)

Đối với hệ thống sinh trưởng lơ lửng, xác định MCRT rất quan trọng để cho phép quá trình nitrat hóa diễn ra chậm trong bể hiếu khí và ngăn chúng với nước thải bên ngoài của hệ thống MCRT cho quá trình nitrat hóa được xác

định phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, và các điều kiện vận hành khác Khi ước lượng MCRT cho bùn sinh khối nitrat hóa, thì tổng MCRT phải giảm cho đến khi sinh khối bùn được giữ ở điều kiện hiếu khí Điều này là do nitrat hóa qui định là dưới điều kiện hiếu khí và không phát triển dưới điều kiện thiếu khí và kị khí Phần này được sử dụng cho phản nitrat hóa hoặc điều kiện kị khí, do

đó nó không gộp chung khi tính toán MCRT nitrat hóa

Sau quá trình nitrat hóa, hầu hết bùn hoạt tính có được với nồng độ amoniac đầu vào ít hơn 0.2 mg NH4+-N/L Thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính nitrat hóa thì tương tự như hệ thống bùn hoạt tính “ thông thường” được vận hành để loại bỏ BOD Nhu cầu oxy ở mức cao, tuy nhiên quan trắc phải theo dõi sự ảnh hưởng của việc tăng độ bazo và giảm pH Vì sự phát triển của quá trình nitrat hóa làm giảm độ pH, yêu cầu bổ sung độ kiềm Sự phát triển lơ lửng có thể hoàn thành quá trình nitrat hóa thông qua việc tạo ra oxi phân giải vùng này bằng cách thay thế việc thổi khí bằng khuấy trộn một vài khu vực Nếu vùng này không có oxi hòa tan, việc tạo thành thức ăn ở cuối bể hiếu khí, xuất hiện BOD trong nước cung cấp những hợp chất cho quá trình phản nitrat và những chất phản nitrat bậc cao có thể xuất hiện Nếu vùng này được tạo ra ở cuối bể nơi mà những hợp chất còn ở mức độ thấp, khi đó những phản ững phản nitrat nội sinh có thể xảy ra Như là một chất bên ngoài, methanol, cũng có thể được thêm vào bể phản nitrat để làm tăng hiệu quả khử nitrat

Khử nitrat trong bùn hoạt tính ở bể lắng thứ cấp có thể làm nổi chất rắn vì khí N2(k) được tạo ra trong quá trình này tạo thành những bọt khí trong bể bùn hoạt tính kết cặn và nổi lên trên bề mặt bể Hầu hết những phần này không là vấn đề vì nồng độ nitrat thấp ở đầu ra và mức khử nitrat thấp ở bể lắng Một vài phương pháp có thể được sử dụng để làm tăng lượng chất rắn: giảm NO3 trước bể lắng bằng khử tiền nitrat tạo ra một mảng bùn với thời gian SRT dài, việc tăng khuấy trộn chất lỏng hòa tan oxi trước nước đầu vào của bể lắng, sẽ làm giảm lượng chất rắn nhanh chóng từ bể lắng cho đến việc giảm SRT (Siegrist et al., 1995)

1.1.4 Tiến trình sử dụng màng sinh học:

Quá trình màng sinh học (màng định kì) như một màng khuếch tán, những chất lọc hoạt động sinh học (BAFs) chuyển đến những giá thể sinh học (MBBRs) hoặc đĩa quay sinh học, cũng có thể được sử dụng hiệu quả cho việc loại bỏ BOD, quá trình nitrat và khử nitrat Theo kết quả đạt được của quá trình vận hành này, sự loại bỏ sinh học có thể đạt được trong môi trường thuận lợi

Để loại bỏ BOD, chất dinh dưỡng và khử nitrat trong hệ thống màng sinh học phức tạp hơn so với hệ thống chất rắn lơ lửng vì vi khuẩn sống trực tiếp trong quá trình này và vi khuẩn này không đồng nhất và sự bám dính của chúng có giới hạn với giá thể (Okey and Albertson, 1989a, 1989b) Bởi vì các vi khuẩn