Trong hoạt động xử lý nước thải hàng ngày, người ta thường nghe thấy hai thuật ngữ: nitrat hóa và khử nitrat. Nhiều người mới làm quen với xử lý nước thải thường nhầm lẫn giữa hai khái niệm này. Mặc dù có tên giống nhau nhưng cả hai đều xoay quanh nhân vật "硝", nhưng thực tế chúng lại đóng những vai trò hoàn toàn khác nhau trong việc xử lý nước thải.
Nói một cách đơn giản, quá trình nitrat hóa chịu trách nhiệm chuyển đổi nitơ amoniac thành nitrat, trong khi quá trình khử nitrat có trách nhiệm chuyển đổi nitrat thành khí nitơ. Một là quá trình oxy hóa, hai là quá trình khử. Hai quá trình này giống như một cuộc chạy đua tiếp sức và chỉ khi chúng được hoàn thành với sự phối hợp nhịp nhàng thì nitơ trong nước thải mới thực sự được loại bỏ.
Khi hiểu được điểm này, logic đằng sau các quy trình loại bỏ nitơ khác nhau, chẳng hạn như A/O, AAO và mương oxy hóa, sẽ trở nên rõ ràng hơn nhiều.
I. Quá trình nitrat hóa: chuyển đổi nitơ amoniac thành nitrat
Trong nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải công nghiệp, nitơ chủ yếu tồn tại dưới dạng nitơ amoniac. Nếu nitơ amoniac được thải trực tiếp vào các vùng nước, nó có thể dễ dàng dẫn đến hiện tượng phú dưỡng và cũng gây ra tác dụng độc hại đối với các sinh vật dưới nước như cá. Vì vậy, các nhà máy xử lý nước thải cần chuyển đổi nitơ amoniac trước tiên.
Quá trình chuyển đổi này được gọi là quá trình nitrat hóa.
Quá trình nitrat hóa thực chất là một quá trình oxy hóa được thực hiện bởi các vi sinh vật, có thể tạm chia thành hai bước:
Bước đầu tiên là quá trình oxy hóa nitơ amoniac thành nitrit
Bước 2: Nitrit tiếp tục bị oxy hóa thành nitrat
Toàn bộ quá trình cần có đủ oxy nên quá trình nitrat hóa thường xảy ra trong môi trường hiếu khí, chẳng hạn như bể sục khí hoặc bể sinh hóa MBR.
Các vi sinh vật tham gia vào quá trình này được gọi là vi khuẩn nitrat hóa. Chúng khác với vi khuẩn dị dưỡng thông thường ở chỗ chúng thuộc nhóm tự dưỡng, chủ yếu lấy năng lượng từ các chất vô cơ. Tốc độ tăng trưởng của chúng tương đối chậm và chúng cũng nhạy cảm với những thay đổi của môi trường.
Đây cũng là lý do tại sao nhiều nhà máy xử lý nước thải có xu hướng giảm công suất nitrat hóa trong mùa đông.
II. Khử nitrat: chuyển nitrat thành khí nitơ
Mặc dù quá trình nitrat hóa đã giải quyết được vấn đề nitơ amoniac nhưng đến thời điểm này, nitơ trong nước vẫn chưa thực sự biến mất; nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Để thực sự "loại bỏ" nitơ khỏi nước thải, bước thứ hai - khử nitrat - cần phải được hoàn thành.
Khử nitrat là một quá trình khử. Trong môi trường kỵ khí, vi sinh vật sử dụng oxy trong nitrat, khử dần dần thành khí nitơ. Con đường phản ứng đại khái như sau:
Nitrat → Nitrit → Nitơ oxit → Nitơ oxit → Nitơ
Khí nitơ được tạo ra cuối cùng (N₂)* sẽ được thải vào không khí ở dạng khí, do đó nitơ trong nước thải thực sự được loại bỏ. Các vi sinh vật hoàn thành quá trình này được gọi là vi khuẩn khử nitrat. Không giống như vi khuẩn nitrat hóa, chúng thuộc nhóm vi khuẩn dị dưỡng và cần carbon hữu cơ làm nguồn năng lượng.
Đây cũng là lý do tại sao nhiều nhà máy xử lý nước thải cần bổ sung nguồn carbon trong quá trình loại bỏ nitơ.
III. Một số khác biệt chính giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat
Nếu chúng ta xem xét hai quá trình này cùng nhau, chúng ta sẽ thấy rằng chúng hoàn toàn trái ngược nhau về nhiều mặt.
1. Điều kiện oxy khác nhau
Quá trình nitrat hóa phải diễn ra trong môi trường hiếu khí, thường đòi hỏi nồng độ oxy hòa tan phải được duy trì ở mức khoảng 2 mg/L.
Quá trình khử nitrat đòi hỏi môi trường yếm khí với lượng oxy hòa tan được duy trì dưới 0,5 mg/L. Nếu có quá nhiều oxy, vi khuẩn khử nitrat sẽ thích sử dụng oxy hơn là nitrat.
Nói một cách đơn giản, quá trình nitrat hóa phát triển mạnh trong oxy, trong khi quá trình khử nitrat bị ức chế bởi oxy.
2. Các loại vi sinh vật khác nhau
Quá trình nitrat hóa chủ yếu được thực hiện bằng vi khuẩn nitrat hóa, bao gồm nitrosomonas và nitrobacter
Những vi khuẩn này thuộc nhóm vi khuẩn tự dưỡng, phát triển chậm và đòi hỏi tuổi bùn dài hơn.
Quá trình khử nitrat được thực hiện bởi vi khuẩn khử nitrat, thuộc nhóm vi khuẩn dị dưỡng và có tốc độ tăng trưởng tương đối nhanh hơn.
3. Yêu cầu nguồn carbon khác nhau
Vi khuẩn nitrat hóa chủ yếu sử dụng các chất vô cơ để tạo năng lượng và thường không dựa vào nguồn carbon hữu cơ.
Vi khuẩn khử nitrat cần carbon hữu cơ làm chất cho điện tử. Vì vậy, khi lượng chất hữu cơ sẵn có trong nước thải không đủ thì thường phải bổ sung thêm các nguồn carbon bên ngoài như natri axetat, metanol, glucose.
Trong hoạt động của nhiều nhà máy xử lý nước thải, nguồn carbon không đủ thường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ nitơ.
4. Vị trí xảy ra khác nhau
Trong các quy trình loại bỏ nitơ thông thường, cả hai thường được sắp xếp ở các vùng phản ứng khác nhau.
Ví dụ: trong quy trình A/O hoặc AAO:
Bể thiếu khí - Bể khử nitrat Bể hiếu khí - Bể nitrat hóa
Nitrat được tạo ra thông qua quá trình nitrat hóa sẽ quay trở lại vùng anoxic thông qua quá trình tuần hoàn bên trong, nơi nó được biến đổi thêm bởi vi khuẩn khử nitrat.
5. Kết quả cuối cùng khác nhau
Kết quả của quá trình nitrat hóa là giảm nitơ amoniac và tăng nitrat
Kết quả của quá trình khử nitrat là: khử nitrat và tạo ra khí nitơ
Nói cách khác, nitơ chỉ có thể rời khỏi vùng nước sau khi quá trình khử nitrat hoàn tất.
IV. thực ra họ là một cuộc chạy tiếp sức
Từ góc độ tổng thể, quá trình nitrat hóa và khử nitrat không phải là hai quá trình độc lập mà là hai bước liên tiếp trong quá trình loại bỏ nitơ sinh học.
Toàn bộ quá trình chuyển hóa nitơ có thể hiểu đơn giản là:
Nitơ amoniac → Nitrit → Nitrat → Nitrat → Nitrit → Khí nitơ
Quá trình nitrat hóa có trách nhiệm chuyển đổi nitơ amoniac thành nitrat, trong khi quá trình khử nitrat có trách nhiệm khử nitrat trở lại thành khí nitơ.
Cả hai được kết nối như một cuộc chạy tiếp sức.
Nếu chỉ có quá trình nitrat hóa và không có quá trình khử nitrat thì nitrat trong nước vẫn gây ra hiện tượng phú dưỡng.
Nếu không có quá trình nitrat hóa thì sẽ thiếu “nguyên liệu thô” cho quá trình khử nitrat.
Đây cũng là lý do tại sao hầu hết các quy trình loại bỏ nitơ đều kết hợp cả vùng hiếu khí và vùng thiếu khí.
V. Kết luận
Trong lĩnh vực xử lý nước thải, nhiều khái niệm có thể xuất hiện tương tự nhau, nhưng logic cơ bản lại hoàn toàn khác nhau.
Quá trình nitrat hóa và khử nitrat là một cặp điển hình.
Một loại xảy ra trong môi trường hiếu khí, còn loại kia xảy ra trong môi trường kỵ khí;
Một loại chịu trách nhiệm oxy hóa nitơ amoniac và loại còn lại chịu trách nhiệm khử nitrat;
Chỉ khi cả hai được kết hợp thì quá trình loại bỏ nitơ sinh học hoàn chỉnh mới có thể được hình thành.
Hiểu được điều này, khi xem xét các quy trình loại bỏ nitơ khác nhau, chẳng hạn như A/O, AAO và mương oxy hóa, chúng ta có thể thấy rằng tất cả chúng đều được tối ưu hóa và kết hợp xung quanh hai bước này.
Phân tích cuối cùng, nhiều quy trình phức tạp trong xử lý nước thải thực sự đang tạo ra một “môi trường làm việc” thích hợp cho các vi sinh vật này.