Trong lĩnh vực xử lý nước thải, quá trình biến đổi sinh học nitơ là quá trình cốt lõi để loại bỏ nitơ và phốt pho và đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải. Quá trình này không chỉ bao gồm một phản ứng đơn lẻ mà là sự phối hợp hoàn thành của ba bước chính: amoni hóa, nitrat hóa và khử nitrat hóa. Cùng với nhau, các bước này dần dần chuyển đổi nitơ hữu cơ phức tạp và nitơ vô cơ trong nước thải thành khí nitơ vô hại, về cơ bản làm giảm tải lượng nitơ trong các vùng nước.
Giới thiệu
Nitơ trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng nitơ hữu cơ (như protein và urê) và nitơ amoniac. Xả trực tiếp có thể dẫn đến các vấn đề môi trường như hiện tượng phú dưỡng của các vùng nước. Phương pháp xử lý sinh học với ưu điểm là hiệu quả và kinh tế cao đã trở thành công nghệ chủ đạo để loại bỏ nitơ khỏi nước thải. Nguyên tắc cốt lõi là tận dụng các hoạt động trao đổi chất của các vi sinh vật khác nhau trong các điều kiện môi trường cụ thể để biến đổi dần các nguyên tố nitơ, cuối cùng đạt được khả năng loại bỏ khí từ các vùng nước vào khí quyển. Sau đây sẽ mổ xẻ một cách có hệ thống cơ chế cốt lõi của quá trình này.
I. Amoni hóa: sự chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac
Amoni hóa là bước đầu tiên trong quá trình loại bỏ nitơ khỏi nước thải, đề cập đến việc chuyển đổi các hợp chất nitơ hữu cơ thành
Quá trình này chủ yếu được hỗ trợ bởi vi khuẩn amoni hóa. Tùy thuộc vào hàm lượng oxy trong môi trường, nó có thể được phân thành hai con đường: chuyển hóa hiếu khí và chuyển hóa kỵ khí
1. Chuyển hóa hiếu khí
Trong điều kiện hiếu khí, các vi sinh vật như Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus và Proteus Vulgaris tùy ý tham gia phản ứng, chủ yếu phân hủy nitơ hữu cơ thông qua hai cơ chế chính:
• Khử amin oxy hóa: Dưới sự xúc tác của oxidase, các axit amin dần mất đi nhóm amin để tạo thành axit keto và amoniac.
Lấy Alanine làm ví dụ:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanine → Axit Iminopropionic → Axit pyruvic + Amoniac)
• Thủy phân amoniac: Dưới tác dụng của các enzym thủy phân, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ chẳng hạn như urê bị thủy phân để tạo ra amoniac.
Phản ứng thủy phân urê:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Các vi khuẩn tham gia vào quá trình này bao gồm các vi khuẩn hiếu khí như Enterococcus faecalis và Bacillus urê.
2. Chuyển hóa kỵ khí
Trong môi trường kỵ khí hoặc thiếu oxy-, các vi sinh vật kỵ khí và kỵ khí tùy tiện hoàn thành quá trình amoni hóa thông qua ba con đường:
• Khử và khử amin:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Loại bỏ amoniac dựa trên nước:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Khử nước và khử amin:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Quá trình nitrat hóa: Quá trình oxy hóa nitơ amoniac thành nitơ nitrat
Quá trình nitrat hóa là phản ứng cốt lõi thứ hai oxy hóa NH3−N thành NOx−N, được hoàn thành bởi vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat và được chia thành hai giai đoạn: nitrat hóa và nitrat hóa
1. Cơ chế phản ứng
• Phản ứng nitrat hóa (do vi khuẩn nitrit chiếm ưu thế):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Phản ứng nitrat hóa (do vi khuẩn nitrobacteria chiếm ưu thế):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Công thức phản ứng tổng quát:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Đặc điểm quy trình chính
• Nhu cầu oxy cao: Tiêu thụ lý thuyết là 4,2g cho mỗi lần loại bỏ 1g, do đó phản ứng nitrat hóa cần được thực hiện trong điều kiện sục khí đầy đủ.
• Tốc độ tăng trưởng thấp: Vi khuẩn nitrat hóa có năng suất tế bào cực kỳ thấp và chúng dễ hoạt động không đủ trong những tháng mùa đông lạnh giá. Vì vậy cần duy trì nồng độ bùn cao để đảm bảo hiệu quả xử lý.
• Tiêu hao kiềm: Phản ứng tạo ra một lượng lớn H+. Về mặt lý thuyết, cứ 1g oxy hóa tiêu tốn 7,54g kiềm (tính theo CaCO3). Cần duy trì độ pH ổn định của hệ thống bằng cách bổ sung các chất kiềm.
III. Khử nitrat: Khử nitơ nitrat thành khí nitơ
Khử nitrat là bước cuối cùng trong việc loại bỏ nitơ khỏi nước thải. Nó đề cập đến quá trình vi khuẩn khử nitrat khử NOx−N và các oxit nitơ khác thành khí nitơ hoặc oxit nitơ dạng khí làm chất nhận điện tử trong điều kiện kỵ khí hoặc thiếu oxy-(DO < 0,3~0,5mg/L).
1. Cơ chế phản ứng
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Phản ứng khử hoàn toàn (lấy hợp chất hữu cơ làm chất cho điện tử làm ví dụ):
NO3−{{1}[H] (chất cho điện tử) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− {{1}[H] (chất cho điện tử) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Yêu cầu về nguồn carbon và đặc tính vi sinh vật
• Tiêu thụ nguồn cacbon: Về mặt lý thuyết, cần 2,86g nguồn cacbon để chuyển hóa 1g nitơ nitrat thành N2 và 1,71g chất hữu cơ để chuyển hóa 1g nitơ nitrit.
• Sự đa dạng của các nhà tài trợ điện tử: [H] có thể được cung cấp bởi các hợp chất hữu cơ, sunfua, v.v., cung cấp nhiều tùy chọn nguồn carbon để tối ưu hóa quy trình.
• Đặc điểm vi sinh vật: Vi khuẩn khử nitrat chủ yếu là vi khuẩn tùy tiện, hô hấp sử dụng O2 làm chất nhận điện tử cuối cùng khi có oxy và sử dụng NOx−N để hô hấp khi không có oxy. Đặc tính này là nền tảng cốt lõi của quá trình khử nitrat anoxic.
Bản tóm tắt
Sự biến đổi sinh học của nitơ trong nước thải là một quá trình chuỗi được kết nối với nhau:
Quá trình amoni hóa phá vỡ các phân tử nitơ hữu cơ, giải phóng nitơ amoniac;
Quá trình nitrat hóa liên quan đến quá trình oxy hóa dần dần nitơ amoniac thành nitơ nitrat trong môi trường hiếu khí;
Quá trình khử nitrat làm giảm nitơ nitrat thành khí nitơ trong môi trường thiếu oxy, cuối cùng đạt được việc loại bỏ nitơ từ các vùng nước vào khí quyển.
Hoạt động hiệu quả của quy trình này phụ thuộc vào việc kiểm soát chính xác các thông số chính như hàm lượng oxy, độ kiềm, nguồn carbon và nhiệt độ, đồng thời đóng vai trò hỗ trợ kỹ thuật cốt lõi để đạt được khả năng loại bỏ nitơ ổn định trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị hiện đại và xử lý nước thải công nghiệp.