XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC

1. Trạng thái tồn tại của 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).

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.

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

Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H_2­S. Hiện tượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư.

3.     Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước

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.

Với đặc tính như vậy việc xử lý Nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề đáng được nghiên cứu và ứng dụng.Vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu, các học giả đi sâu tìm hiểu

 4.    Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

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

Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nitơ amôn sẽ được chuyển thành nitrit và nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter. Khi môi trường thiếu ôxy, các loại vi khuẩn khử nitrat  Denitrificans (dạng kỵ khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrát (NO₃^-) và nitrit (NO₂^-) để ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử N₂ tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.

Qúa trình chuyển hóa Nitơ trong nước thải

Quá trình chuyển NO₃^- ® NO₂^- ® NO ® N₂O ® N₂ với việc sử dụng mêtanol làm nguồn các bon được biểu diễn bằng các phương trình sau đây:

          4.2.     Nitrat hóa

Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO₂ (dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.

Quá trình Nitrat hoá từ Nitơ Amôni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại vi sinh vật , đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. ở giai đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành nitrat

Bước 1. NH₄^-   + 1,5 O₂  à NO₂^- + 2H⁺ + H₂O

Bước 2.    NO^-₂  +   0,5 O₂     à     NO₃^-

Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Có thể tổng hợp quá trình bằng phương trình sau :

NH₄^-   +  2 O₂  à NO₃^- + 2H⁺ + H₂O  (*)

Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amôni được đồng hoá vận chuyển vào trong các mô tế bào. Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng phương trình sau :

4CO₂ +  HCO₃^- + NH⁺₄ + H₂O  à  C₅H₇O₂N   +   5O₂

C₅H₇O₂N tạo thành được dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn.

Toàn bộ quá trình ôxy hoá và phản ứng tổng hợp  được thể hiện qua phản ứng sau : NH₄⁺+1,83O₂+1,98 HCO₃^- à 0,021C₅H₇O₂N + 0,98NO₃^-+1,041H₂O+1,88H₂CO₃

Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá amôni thành nitrat cần 4,3 mg O₂/ 1mg NH₄⁺. Giá trị này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công thức tính toán thiết kế. Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình tổng hợp sinh khối tế bào không được xét đến.

4.3.     Khử nitrit và nitrat:

Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat Denitrificans (dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.

+ Khử nitrat :

NO₃^-  + 1,08 CH₃OH + H⁺ à 0,065 C₅H₇O₂N + 0,47 N₂ + 0,76CO₂ + 2,44H₂O

+ Khử nitrit :

NO₂^-  + 0,67 CH₃OH + H⁺ à 0,04 C₅H₇O₂N + 0,48 N₂ + 0,47CO₂ + 1,7H₂O

Như vậy để khử nitơ công trình xử lý nước thải cần :

Điều kiện yếm khí ( thiếu ôxy tự do )

Có nitrat (NO₃^- ) hoặc nitrit (NO₂^-)

Có vi khuẩn kị khí tuỳ tiện khử nitrat;

Có nguồn cácbon hữu cơ

Nhiệt độ nước thải không thấp.

5.           Các dây chuyền và công trình xử lý nitơ trong nước thải

5.1.     Dây chuyền công nghệ xử lý nitơ

-         Quá trình hậu phản (Post - denitrification)

Nitrat hóa (Xử lý sinh học bậc 2) ® Phản nitrat(Xử lý bậc 3)

Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải - Qúa trình hậu phản

-Quá trình tiền phản (Pre – denitrification)

Khử nitrat (Oxi hóa hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí) ® nitrat hóa (xử lý bậc 2)

-   Quá trình kết hợp 2 phương pháp trên bằng cách tráo đổi các quá trình nitrat hóa và phản nitrat

Hình 6. Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải – Kết hợp 2 quá trình tiền phản và hậu phản

5.2.     Một số dạng công trình kết hợp xử lý BOD/N

5.2.1.     Kênh ôxy hoá tuần hoàn

Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải – Kênh oxi hóa tuần hoàn

Kênh ôxy hoá tuần hoàn hoạt động theo nguyên lý thổi khí bùn hoạt tính kéo dài. Quá trình thổi khí đảm bảo cho việc khử BOD và ổn định bùn nhờ hô hấp nội bào. Vì vậy bùn hoạt tính dư ít gây hôi thối và khối lượng giảm đáng kể.

Các chất hữu cơ trong công trình hầu như được ôxy hoá hoàn toàn, hiệu quả khử BOD đạt 85¸95%. Trong vùng hiếu khí  diễn ra quá trình ôxy hoá hiếu khí các chất hữu cơ và nitrat hoá. Trong vùng thiếu khí (hàm lượng ôxy hoà tan thường dưới 0,5 mg/l) diễn ra quá trình hô hấp kỵ khí và khử nitrat.

Để khử N trong nước thải, người ta thường tạo điều kiện cho quá trình khử nitrat diễn ra trong công trình. Kênh ôxy hoá tuần hoàn hoạt động theo nguyên tắc của aerôten đẩy và các guồng quay được bố trí theo một chiều dài nhất định nên dễ tạo cho nó được các vùng hiếu khí (aerobic) và thiếu khí (anoxic) luân phiên thay đôỉ. Quá trình nitrat hoá và khử nitrat cũng được tuần tự thực hiện trong các vùng này Hiệu quả khử nitơ trong kênh ôxy hoá tuần hoàn có thể đạt từ 40¸80%

5.2.2.     Aerôten hoạt động  gián đoạn theo mẻ (hệ SBR)

Sơ đồ dây chuyên xử lý Nitơ trong nước thải – Bể SBR

Các giai đoạn hoạt động diễn ra trong một ngăn bao gồm: làm đầy nước thải, thổi khí, để lắng tĩnh, xả n­ước thải và xả bùn dư.

Các giai đoạn hoạt động trong bể SBR

Trong bư­ớc một, khi cho n­ước thải vào bể, n­ước thải đ­ược trộn với bùn hoạt tính lưu lại từ chu kỳ trư­ớc. Sau đấy hỗn hợp n­ước thải và bùn đ­ược sục khí ở bư­ớc hai với thời gian thổi khí đúng như­ thời gian yêu cầu. Quá trình diễn ra gần với điều kiện trộn hoàn toàn và các chất hữu cơ đ­ược ôxy hoá trong giai đoạn này. B­ước thứ ba là quá trình lắng bùn trong điều kiện tĩnh. Sau đó nư­ớc trong nằm phía trên lớp bùn được xả ra khỏi bể. Bước cuối cùng là xả l­ượng bùn dư­ đ­ược hình thành trong quá trình thổi khí ra khỏi ngăn bể, các ngăn bể khác hoạt động lệch pha để đảm bảo cho việc cung cấp n­ước thải lên trạm XLNT liên tục.

Công trình hoạt động gián đoạn, có chu kỳ. Các quá trình trộn nư­ớc thải với bùn, lắng bùn cặn,... diễn ra gần giống điều kiện lý t­ưởng nên hiệu quả xử lý nư­ớc thải cao. BOD của nước thải sau xử lý th­ường thấp hơn 20 mg/l, hàm l­ợng cặn lơ lửng từ 3 đến 25 mg/l và N-NH₃ khoảng từ 0,3 đến 12 mg/l.

Hệ thống aerôten hoạt động gián đoạn SBR có thể khử đ­ược nitơ và phốt pho sinh hoá do có thể điều chỉnh đư­ợc các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí trong bể bằng việc thay đổi chế độ cung cấp ôxy

5.3.           Xử lý kết hợp nitơ và phốt pho

Phốt pho xâm nhập vào nước có nguồn gốc từ nước thải đô thị, phân hoá học, cuốn trôi từ đất, nước mưa hoặc phốt pho trầm tích hoà tan trở lại

Phốt pho trong nước thường tồn tại dưới dạng orthophotphat (PO₄^3-,HPO₄^2-, H₂PO₄^-,H₃PO₄) hay polyphotphat [Na₃(PO₃)₆] và phốt phát hữu cơ. Tất cả các dạng polyphotphat như pyrometaphotphat Na₂(PO₄)₆, tripolyphotphat Na₅P₃O₁₀, pyrophotphat Na₄P₂O₇  đều chuyển hoá về dạng orthophotphat  trong môi trường nước.

Trong nước mưa, hàm lượng nitơ và phốt pho  phụ thuộc vào lưu vực thoát nước, đặc điểm mặt phủ ...

Bảng : Lượng nitơ và phốt pho theo nước mưa chảy vào sông, hồ, kg/ha.năm.

Nguyên tố	Rừng	Nông nghiệp	Đô thị	Nước  mưa
Nitơ	3 (1,3 -10,2)	5 (0,5-50)	5 (1-20)	24
Phốt pho	0,4 (0,01-0,9)	0,5 (0,1-5)	1 (0,1-10)	1 (0,05-5)

Hợp chất photpho tự  nhiên  không độc hại , chỉ có một số loại tổng hợp este trung tính  của axit photphoric  dùng làm hoá chất bảo vệ thực vật  là có độc tính cao. Trong nước bị ô nhiễm,  hàm lượng photpho (tính theo photphat)  không lớn, khoảng 0,1 mg/l, chủ yếu dạng orthophotphat .  Trong nước thải  nồng độ photphat cao . Phốt pho là nguyên nhân chính gây ra bùng nổ tảo ở một số nguồn nước mặt , gây ra hiện tượng tái nhiễm bẩn và nước có màu, mùi khó chịu.

5.3.1.     Kết hợp xử lý Phốt pho và Nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học

Một trong những quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học đang được phát triển đó là kết hợp xử lý cả nitơ và photpho. Bằng cách sử dụng bùn hoạt tính, các hợp chất trong các quá trình xử lý thiếu khí (anoxic), xử lý hiếu khí (aerobic), xử lý yếm khí (anaerobic) kết hợp hoặc riêng biệt để thực hiện quá trình khử nitơ và photpho. Ban đầu quá trình này được phát triển để khử Photpho, sau đó là kết hợp khử cả nitơ và photpho.

Các công nghệ được sử dụng thông dụng nhất là:

-                     Quy trình A²/O

-                     Quy trình Bardenpho (5 bước)

-                     Quy trình UCT

-                     Quy trình VIP

Kỹ thuật xử lý mẻ kế tiếp cũng có khả năng kết hợp khử Nitơ và Phốtpho

Quy trình A²/O

Quy trình này được cải tiến từ quy trình A/O và bổ sung thêm vùng cấp oxi để khử nitrat. Giai đoạn lưu trong quá trình thiếu khí xấp xỉ một giờ. Tại vùng anoxic (thiếu oxy), vi sinh vật lấy oxi từ nitrat (NO₃^-) và nitrit (NO₂^2-), lượng nitrat và nitrit được bổ sung bởi hỗn hợp nước thải tuần hoàn từ sau vùng aerobic. Hàm lượng phótpho tập trung trong nước nước thải nhỏ hơn 2mg/l là có thể chấp nhận được với nước thải không có công đoạn lọc, và nhỏ hơn 1.5mg/l với nước thải sau lọc.

Quy trình Bardenpho (5 giai đoạn)

Từ bể Bardenpho 4 giai đoạn để xử lý Nitơ, bổ sung thêm 1 giai đoạn để kết hợp khử cả nitơ và photpho. Thêm giai đoạn thứ 5 là quá trình yếm khí anarobic để khử photpho lên đầu tiên của quy trình kết hợp khử nitơ, photpho. Sự sắp xếp các giai đoạn và cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải sau các vùng cũng khác nhau và khác quy trình xử lý A²/O. Hệ thống 5 bước cung cấp các vùng anaerobic, anoxic, aerobic để khử cả Nitơ, Photpho và hợp chất hữu cơ. Vùng Anoxic (giai đoạn 2) để khử nitrat và được bổ sung nitrat từ bể aerobic (giai đoạn 3). Bể aerobic cuối cùng tách khí N₂ ra khỏi nước và giảm hàm lượng Photpho xuống tối đa. Thời gian xử lý kéo dài hơn quy trình A²/O. Tổng thời gian lưu nước là 10-40ngày, tăng sinh khối của vi sinh vật

Quy trình UCT

Được sáng tạo tại trượng đại học Cape Town, giống quy trinh A²/O nhưng có 2 sự khác biệt. Thứ nhất, bùn hoạt tính được tuần hoàn đến bể Anoxic thay vì bể anaerobic. Thứ hai, xuất hiện vòng tuần hoàn từ bể anoxic đến anaerobic. Bùn hoạt tính đến bể anoxic, hàm lượng nitrat trong bể anaerobic sẽ bị loại bỏ, theo đó ta tách được photpho trong bể anaerobic. Bản chất của vòng tuần hoàn giữa các bể là cung cấp hợp chất hữu cơ đến bể anaerobic. Hợp chất từ bể anoxic bao gồm các hợp chất hữu cơ hòa tan (BOD) nhưng hàm lượng nitrat rất ít, tạo điều kiện tốt nhất để lên men kỵ khí trong bể anaerobic. Vào năm 1989, chưa có nhà máy nào tại Mỹ sử dụng quá trình này.

Quy trình VIP (Virginia Initiative Plant in Norfolk. Virginia)

Quy trình này giống A²/O và UCT ngoại trừ cách tuần hoàn hỗn hợp nước thải giữa các bể. Bùn hoạt tính cùng với nước thải sau bể aerobic (đã khử nitrat) được đưa lại bể anoxic. Nước thải từ bể anoxic quay trở lại đầu vào của anaerobic. Trên cơ sở những dữ liệu kiểm tra được, xuất hiện một số hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, đảm bảo sự ổn đinh trong hoạt động của bể kỵ khí, làm giảm nhanh chóng lượng oxi theo yêu cầu.

5.3.2.     So sánh ưu, nhược điểm của các quá trình kết hợp xử lý cả nitơ và photpho

Các quá trình	Ưu điểm	Nhược điểm
A2/O	Bùn thải có một hàm lượng tương đối cao phôtpho ( 3 – 5%) và là một nguồn phân bón giá trị Khả năng khử nitrat cao hơn so với dây chuyền A/O.	Hoạt động dưới điều kiện khí hậu lạnh thường không ổn định Phức tạp hơn so với công nghệ A/O
Bardenpho	Tạo ra ít bùn thải nhất trong hệ thống các phương pháp xử lý phốtpho hiện thời. Bùn thải có một hàm lượng tương đối cao phôtpho và là một nguồn phân bón giá trị. Có khả năng giảm thiểu tổng lượng nitơ tới mức thấp, tốt hơn so với đa số các phương pháp khác. Độ kiềm được khôi phục cho hệ thống.Vì vậy có thể tiết kiệm lượng hoá chất tiêu thụ Được sử dụng rộng rãi ở Nam Phi và những nơi có điều kiệnvề tài chính	Với nhiều vòng tuần hoàn, cần phải tính toán thêm công suất của bơm và các yêu cầu về vấn đề bảo dưỡng. Mới chỉ được thí nghiệm chủ yếu ở Mỹ. Những yêu cầu cho hoá chất phụ trợ thường không ổn định. Yêu cầu khối tích lớn hơn so với quá trình A2/O.
UCT	Luân chuyển các vùng Anoxic để loại bỏ quá trình tái hợp của Nitrat và cung cấp môi trường tách phôtpho tốt hơn trong các vùng Anaerobic. Dung tích ngăn phản ứng nhỏ hẹp hơn so với quá trình Bardenpho.	Chưa có những công trình thực tế tại Mỹ. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình vẫn chưa được chuẩn hoá. Tỷ suất BODF yêu cầu cao Những yêu cầu đối với hoá chất phụ trợ không ổn định Tuần hoàn nội vi rộng làm tăng điện năng tiêu thụ của máy bơm và các yêu cầu vận hành bảo dưỡng.
VIP	Tuần hoàn nitrat qua vùng anoxic để giảm lượng ôxy yêu cầu và lượng kiềm tiêu thụ. Luân phiên nước thải từ vùng anoxic sang vùng anaerobic để giảm lượng nitrat trong vùng hiếu khí. Có thể áp dụng để xử lý Nitơ tạm thời hoặc phốt pho quanh năm	Tuần hoàn nội vi rộng làm tăng điện năng tiêu thụ của máy bơm và các yêu cầu vận hành bảo dưỡng. Chỉ mới được áp dụng hạn chế tại Mỹ Nhiệt độ thấp làm giảm khả năng tách Nitơ .