Quy trình loại bỏ nito bằng sinh học

Quy trình loại bỏ nito bằng sinh họcTrong xử lý thứ cấp, nitơ cuối cùng phụ thuộc vào các hợp chất carbon tính theo BOD và COD có liên quan, các loại bùn tính theo TSS và VSS có liên qua

Quy trình loại bỏ nito bằng sinh học

Trong xử lý thứ cấp, nitơ cuối cùng phụ thuộc vào các hợp chất carbon (tính theo BOD và COD) có liên quan, các loại bùn (tính theo TSS và VSS) có liên quan và các phương pháp oxy hóa được sử dụng (Hình 22.4)

Hình 22.4 Ảnh hưởng của MCRT để loại bỏ chất gây ô nhiễm

Khi nitơ [tổng nitơ Kjeldahl (TKN)] đi vào nhà máy xử lý nước thải, nó bao gồm cả nitơ-hữu cơ và nitơ-ammonia Nước thải sinh hoạt thường chứa 40 mg/L TKN, trong đó gồm 25 mg/L nitơ-ammonia và 15 mg/L nitơ-hữu cơ Xử lý sinh học nitơ-ammoniac hoặc kết hợp nó với bùn sinh khối (MLVSS) hoặc oxy hóa nó thành nitrate (Hình 22.7) Nếu kết hợp với bùn sinh khối thì amoniac

và nitơ hữu cơ được thải ra với dòng WAS Nếu bị oxy hóa thành nitrat thì ammoniac (nitrat) bị oxy hóa có thể được chuyển đổi thành khí nitơ và phát thải vào bầu khí quyển

HÌNH 22.7 Loại bỏ nitơ trong hệ thống xử lý nước thải

Đặc điểm nước thải có thể ảnh hưởng đến các chất dinh dưỡng Ví dụ, nếu khoảng 20% nitơ hữu cơ (15 mg/L) thủy phân để trở thành amoniac, thì tổng nitơ-ammonia có thể cung cấp để tổng hợp tế bào là:

Nước thải điển hình từ quá trình xử lý sơ bộ chứa khoảng 160 mg/L BOD Trong xử lý thứ cấp, tương đương với khoảng 80 mg/L VSS sinh học được sinh

ra (0,5 mgVSS/mgBOD) Amoniac được tiêu thụ khi sinh ra VSS, là 8 mg/L nitơ [(80mg/L)(10/100)] và 1,6 mg/L phốt pho [(80mg/L)(2/100)]

Kết quả là bùn sinh học có chứa khoảng 10% nitơ và 2% phốt pho

Nhân viên nhà máy xử lý cũng nên chú ý sau:

• Đối với tổng nitơ trung bình, nhân viên nên tính TKN;

• Bởi vì bùn sinh học tiêu thụ nitơ, nên không phải tất cả các nitơ-ammonia đều cần cho nitrat hóa Tuy nhiên, vì nitơ hữu cơ thủy phân nên một số ammonia sẽ được cung cấp

• Những thay đổi trong tỉ lệ BOD:N sẽ làm thay đổi lượng ammonia cần thiết cho quá trình oxy hóa khi BOD tăng lên, như vậy sẽ tạo ra chất rắn sinh học (bùn sinh học) Sự gia tăng chất rắn sinh học làm chuyển nhiều amoniac hấp thụ cho sự tăng trưởng tế bào và ít ammonia để nitrat hóa

Nếu các đặc điểm nước thải không phải là "điển hình", thì nhân viên nhà máy

xử lý sẽ phải điều chỉnh MCRT, tỷ lệ F/M hoặc các tiêu chuẩn khác

Sự khác biệt giữa bùn hoạt tính truyền thống và hệ thống BNR là một hệ thống bùn hoạt tính thông thường chỉ loại bỏ nitơ thông qua xả bùn Một quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học có thể loại bỏ nitơ thông qua xả bùn và một phản ứng sinh học kết hợp để oxy hóa amoniac còn lại (nitrat hóa) và phân hủy nitơ oxy hóa (quá trình khử nitơ) Nếu các nhà máy xử lý chỉ có ammonia cho phép, thì nó chỉ có thể nitrat hóa nước thải Nếu nhà máy có cả ammonia và nitrate oxy hóa, thì nó sẽ cần cả hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa nước thải

NITRAT HÓA

Nitrat hóa là quá trình chuyển đổi nitơ-amoniac thành nitơ-nitrat

Hóa sinh

Nitrat hóa được thực hiện bởi các vi sinh vật tự dưỡng (sinh vật sử dụng các vật liệu vô cơ như một nguồn dinh dưỡng và quang hợp hoặc hóa tổng hợp như một nguồn năng lượng) Chúng oxy hóa nitơ-ammonia và phân hủy carbon dioxide để sản xuất sinh khối mới, thường cần 6-9 ngày MCRT để sản xuất đến 0,2 mg VSS trên mỗi 1,0 mg ammonia bị loại bỏ

Bước đầu tiên trong quá trình nitrat hóa là oxy hóa amoniac thành nitơ-nitrit qua Nitrosomonasbacteria (vi khuẩn nitrat hóa) Sau đó Nitrobacterbacteria oxy hóa nitrit thành nitrate Các phương trình sau đây minh họa cho quá trình nitrat hóa:

Nitrat hóa thường là một phản ứng hoàn toàn, có nghĩa kết quả chủ yếu là nitrat (rất ít hoặc không có nitrit) Tuy nhiên, nhà máy xử lý mà nitrat hóa theo mùa có thể có nitrite tích lũy cho đến khi Nitrobacter phát triển chậm trở nên phổ biến hơn Sự tích tụ nitrite có thể dẫn đến nitrite chặn lại nhu cầu clo bởi nitrite oxy hóa không hoàn toàn (5 mg clo trên 1 mg nitrite, Bảng 22.1)

Bảng 22.1 Các quá trình hóa sinh trong BNR Các phản ứng kiểm soát nito sinh học

1 Loại bỏ chất dinh

dưỡng

hóa sinh

• 5.0 mgN được loại bỏ trên 100 mgBOD được loại bỏ

• 1 mgP trên 100 mgBOD được loại bỏ

• Quá trình hiếu khí thông thường - 2.3 mgP/100 mgTSS và 12.2 mgN/100 mgTSS

• Quá trình photpho sinh học - 3-5 mgP/100 mgTSS

2 Oxy hóa nito hóa sinh

(Nitrat hóa)

• 4.57 mg oxy cần trên mg nitrat hóa

• 7.14 mgCaCO3 kiềm dùng hết trên mg nitrat hóa

• 0.06-0.2 mg rắn lơ lửng dễ bay hơi trên mg nitrat hóa

3 Loại nito oxy hóa hóa

sinh

(Khử nito)

• 2.86 mg oxy sinh ra trên mg khử nito

• Nhuồn carbon

* 1.91 mg methanol trên mg khử nito

* 0.7 mg methanol trên mg loại bỏ oxy hòa tan

* 8.6 mg COD trên mg khử nito

• 3.57 mgCaCO3 kiềm thu hồi (thêm vào) trên mg khử nito

• 0.5 mgVSS trên mgCOD (or BOD5) loại bỏ

4 Nhu cầu Chlorine

do Nitrite (kết hợp

nitrat hóa không hoàn

toàn và khử)

• 5 mg chlorine trên mg nitrite-nitrogen

Hiệu quả quá trình nitrat phụ thuộc vào oxy và độ kiềm (để duy trì độ pH nước thải phù hợp) Nitrosomonas và Nitrobacterrequire cần 4,57 mg oxy và 7,14 mg kiềm (như canxi cacbonat) cho mỗi 1.0 mg nitrate tạo thành

Chúng mang lại 0,06-0,20 mg VSS cho mỗi 1,0 mg nitrate hình thành

Ảnh hưởng

Vi khuẩn tự dưỡng thường phát triển chậm hơn 2-3 lần so với vi khuẩn dị dưỡng, đó là những sinh vật chiếm ưu thế trong một hệ thống xử lý sinh học Hiểu được mối quan hệ giữa "tốc độ tăng trưởng" của vi khuẩn và MCRT (tuổi bùn) có thể giúp nhân viên nhà máy xử lý và xác định được nhiệt độ, oxy hòa tan và các yếu tố khác ảnh hưởng đến xử lý sinh học Tốc độ tăng trưởng sinh khối (μ) được tính như sau:

Tốc độ tăng trưởng tối đa (μmax) cho vi khuẩn nitrat ở 20 C là thường giữa 0.14 và 0.23 kg/ngày (0,3 và 0,5 lb /d) Để thuật ngữ quen thuộc hơn đối với nhân viên nhà máy của hệ thống xử lý, có phương trình sau:

Trong đó:

Px = lượng bùn sản xuất mỗi ngày (bùn thải trong nước thải thứ cấp và WAS) MLSSx = lượng TSS trong bể sục khí

Nói cách khác, μ là nghịch đảo của MCRT, được sử dụng để kiểm soát vận hành:

Các MCRT tối thiểu là nghịch đảo của tốc độ tăng trưởng tối đa:

Nitrat hóa phụ thuộc vào nồng độ nitơ-ammonia, nồng độ oxy hòa tan và nhiệt độ nước thải (Hình 22.8) Điều kiện tiêu chuẩn được sử dụng ở 20°C, 2 mg/L oxy hòa tan và 10 mg/L nitơ-ammonia Nếu nồng độ oxy hòa tan hoặc amoniac giảm, thì tăng trưởng vi sinh vật nitrat hóa sẽ chậm lại Nếu các điều kiện này không độc hại, thì nhiệt độ thấp hơn so với tiêu chuẩn sẽ có thể ảnh hưởng quan trọng nhất trong việc giảm tốc độ tăng trưởng vi sinh vật nitrat hóa

HÌNH 22.8 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Hầu hết các nhà máy xử lý nước thải được thiết kế dựa trên tốc độ tăng trưởng tối đa ở một phạm vi nhất định của nhiệt độ hoạt động Khi thiết kế một nhà máy, kỹ sư được khuyến khích sử dụng một MCRT lớn hơn 1,5-2,0 lần MCRT lý thuyết cần thiết cho quá trình nitrat hóa (Hình 22.9) Ví dụ, các MCRT tính toán (sử dụng μmax) có thể là 10 ngày ở 10°C, nhưng một kỹ sư thiết kế sẽ làm cho lưu vực khí đủ lớn để hoạt động ở 15 ngày MCRT (hệ số

an toàn = 1,5) hoặc 20 ngày MCRT (hệ số an toàn = 2,0) Vì vậy, có thể thấy rằng quá trình nitrat hóa đáng tin cậy ở một MCRT ngắn hơn (Các thực tế MCRT "tốt nhất" là đặc trưng nhà máy bởi các số lượng liên quan)

Hình 22.9 MCRT thiết kế cho quá trình nitrat hóa.

Nitrat hóa cũng bị ảnh hưởng bởi pH, pH tối ưu thường là khoảng 7,5 Do đó, khi pH giảm xuống, ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng và hoạt động của vi sinh vật nitrat hóa Nitrat hóa có thể bị ức chế khi pH<6,5, nhưng một số nguồn thông tin đã chỉ ra rằng vi sinh vật nitrat hóa có thể thích nghi ở pH thấp

Một số kim loại, hữu cơ và các hợp chất vô cơ có thể ức chế sự tăng trưởng của vi sinh vật tự dưỡng Nếu nhân viên nhà máy nghi ngờ chất độc gây ức chế vi khuẩn phát triển, họ cần phải tiến hành một thí nghiệm đánh giá tốc

độ nitrat hóa Thí nghiệm này có thể được tiến hành tại chỗ, hoặc mẫu có thể được gửi đến phòng thí nghiệm để kiểm tra

KHỬ NITƠ

Trong quá trình khử nitơ, vi khuẩn phân hủy nitrat thành khí nitơ (Hình 22.6) Khí nitơ không phải hòa tan tốt trong nước, vì vậy nó được thải vào khí quyển Không khí tự nhiên bao gồm hơn 70% nitơ, vì vậy lượng khí thải không gây hại cho môi trường

Hóa sinh

Quá trình khử được thực hiện bởi các vi sinh vật dị dưỡng (sinh vật sử dụng các vật liệu hữu cơ như một nguồn dinh dưỡng và trao đổi chất tổng hợp như một nguồn năng lượng) Sinh vật dị dưỡng dùng ít năng lượng tổng hợp hơn

so với các sinh vật tự dưỡng, để chúng phát triển một cách nhanh chóng và mang lại nhiều sinh khối tế bào hơn nữa Nó thường yêu cầu 2-4 ngày MCRT

để sản xuất 0,5 mg VSS trên mỗi 1,0 mg BOD bị loại bỏ

Rất nhiều vi khuẩn dị dưỡng có thể khử nitơ của nước thải Vi khuẩn khử nitơ phân hủy nitrate (vi khuẩn ngẫu nhiên), có nghĩa là chúng có thể hoạt động trong cả hai môi trường oxy và thiếu oxy Vi khuẩn khử nitơ thích sử dụng oxy phân tử, nhưng nếu môi trường có chứa ít hơn 0,3 đến 0,5 mg/L oxy hòa tan, chúng sẽ tách những phân tử oxy từ nitrate để tổng hợp các hợp chất carbon (ví dụ, BOD) (Daigger et al., 1988 ):

Các phản ứng sinh hóa liên quan với quá trình khử nitơ là yếu tố quan trọng trong vận hành các nhà máy xử lý nước thải (Bảng 22.1) Ví dụ, phân hủy nitrate loại trừ một số nhu cầu BOD, do đó, các bể phản ứng thiếu oxy giúp loại bỏ cBOD Nếu cBOD là vấn đề cần xử lý duy nhất, thì tính toán MCRT và F/M có thể bao gồm các sinh khối trong quá trình khử nitơ

Về mặt lý thuyết, 2,86 mg oxy được thu hồi cho mỗi 1,0 mg nitrate phân hủy thành khí nitơ Điều này là hơn 60% lượng oxy cần thiết cho quá trình nitrat hóa, từ đó oxy thu hồi này có thể được sử dụng để làm giảm đáng kể số lượng thiết bị sục khí cần thiết trong các khu khác của nhà máy xử lý

kết quả khử nitơ còn sinh ra các tế bào vi khuẩn mới Số lượng các tế bào phụ thuộc vào các nguồn carbon Ví dụ, nếu methanol là nguồn carbon, thì

số lượng tế bào là khoảng 0,5 mg VSS trên mỗi 1,0 mg nitrate bị loại bỏ Nếu BOD là nguồn, thì số lượng tế bào là khoảng 1,5 mg VSS trên mỗi 1,0 mg nitrate bị loại bỏ

Ngoài ra, khoảng 3,57 mg kiềm (như canxi cacbonat) được sinh ra cho mỗi 1,0 mg nitratebị loại bỏ Vì vậy, khoảng 50% độ kiềm mất trong quá trình nitrat hóa có thể được phục hồi trong quá trình khử nitơ

Ảnh hưởng

Vi sinh vật khử nitơ ít nhạy cảm hơn vi sinh vật khử nitrat hóa, vì vậy nếu môi trường nhà máy xử lý không ức chế vi sinh vật nitrat hóa, thì các vi sinh vật khử nitơ sẽ không có vấn đề hoạt động ở tốc độ tăng trưởng tối ưu

Tốc độ vi sinh vật khử nitơ loại bỏ nitrat là tốc độ khử cụ thể (SDNR):

Tốc độ này thay đổi, chủ yếu tùy thuộc vào loại nguồn carbon và lượng carbon có sẵn (được đo bằng F/M)

Quá trình nitrat hóa và khử nitơ có thể xảy ra trong một cụm xử lý [được gọi

là quá trình nitrat hóa / khử đồng thời (SNDN)], hoặc khử có thể xảy riêng biệt trong bể thiếu khí sau hoặc trước Trong những năm 1970, BNR và khử nitơ thường được thực hiện thông qua các bể phản ứng thiếu khí sau [Hình 22.10 (a)] (Stensel, 2001) Methanol là nguồn cacbon cho quá trình khử nitơ (methanol của SDNR khoảng 0,1-0,3 mg NO3-N/d.mg VSS) Một bể sục khí sau tương đối nhỏ cho phép quá trình khử nitơ để oxy hóa bất kỳ các chất hữu cơ còn lại

HÌNH 22.10 Cụm khử lý cho quá trình khử nitơ.

Trong những năm 1980, nhiều nhà máy xử lý nước thải đã được nâng cấp với cụm xử lý để kiểm soát sinh vật hình sợi [Hình 22.10 (b)] Khử nitơ nước thải trong các nhà máy này thì phát hiện vùng thiếu được khử nitơ RAS tốt khi kiểm soát các sợi

Bởi vì methanol đắt tiền và độc hại, nên hầu hết các nhà máy đã tận dụng điều này Họ thêm một hệ thống MLR và sử dụng bể thiếu khí trước cho quá trình khử nitơ [Hình 22.10 (c)] Trong cụm xử lý này, hoặc là nước thải thô hoặc dòng thải sơ cấp được sử dụng như nguồn carbon cho quá trình khử nitơ (SDNR nước thải thường dao động 0,03-0,12 mg N-NO3/d.mg VSS)

Nhìn chung, tốc độ khử giảm khi nước thải đi qua các vùng (bể) thiếu khí khác vì BOD dễ phân hủy sinh học trong khu thiếu khí dòng nước thấp ít hơn những dòng nước cao Khi quá trình khử nitơ phụ thuộc vào sự hô hấp nội sinh để phân hủy nitrate (tức là không có nguồn carbon bên ngoài), phạm vi SDNR của nó 0,005-0,03 mg N-NO3 /d.mg VSS (US EPA, 1993) Tốc độ này có thể áp dụng khi khử xảy ra sau một bộ lọc nhỏ giọt hoặc trong bể thiếu khí sau, không có thêm nguồn carbon

Nhiệt độ và pH cũng ảnh hưởng đến tốc độ khử nitơ, nhưng thông số quan trọng nhất là oxy phân tử Nhân viên nhà máy xử lý nên giảm thiểu nồng độ oxy phân tử trong nước thải Các bể trong cụm xử lý nên chọn kích thước để thúc đẩy tỷ lệ F/M cao và MLR có thể cần trong các bể thứ hai hoặc thứ ba để tránh tình trạng quá tải oxy

Có một giới hạn thực tế để khử nitơ Loại bỏ nitrat là chức năng trong cả hai vùng hiếu khí (PNOx) và trong nước thải thứ cấp (NOX2EFF) Tăng MLR để giảm

NOX là vấn đề để quy luật tuần hoàn giảm dần Khối lượng của nitrate sinh ra phải bằng khối lượng của nitrate nước thải kết hợp với dòng chảy của nhà máy nước thải (Q), MLR và RAS dòng chảy (Equation 22,15):

Rr = RAS/Q

Vì vậy, các nhà máy xử lý được minh họa trong hình 22.11, với Rr =0.5, 25 mg/L nitrate và Mr = 1.0 (MLR=Q), thì kết quả nồng độ nitrate dòng thải khoảng 11 mg/L Nếu giới hạn nitrate dòng thải là 5 mg/L, thì Mr cần phải là 3,5 (tức là 350% của dòng chảy đến các nhà máy xử lý) để đạt được giới hạn này Khi giới hạn nitrate dòng thải là ít hơn 5 mg/L, một cụm thiếu khí sau có thể là cần thiết để đạt được các giới hạn mà không có Mr là quá lớn

Hình 22.11 Ảnh hưởng của tốc độ MLR với nitrate

Mr.Đoàn Thịnh - KS Kỹ thuật môi trường (ĐHBK)

Biofuture Sales Executive