Các chất ô nhiễm nitơ và phốt pho quá mức trong các vùng nước là nguyên nhân cốt lõi gây ra các vấn đề môi trường nước như phú dưỡng, tảo nở hoa và thủy triều đỏ, dẫn đến một loạt vấn đề bao gồm suy giảm chất lượng nước, mất cân bằng hệ sinh thái dưới nước và các mối đe dọa đối với an toàn nước uống. So với các quy trình xử lý hóa học và vật lý, công nghệ loại bỏ nitơ và phốt pho sinh học đã trở thành quy trình cốt lõi để xử lý nước thải tiên tiến trong các nhà máy xử lý nước thải hiện nay nhờ những ưu điểm như hiệu quả xử lý ổn định, chi phí vận hành thấp, không gây ô nhiễm thứ cấp và khả năng thích ứng với các kịch bản xử lý nước thải đô thị và công nghiệp. Nguyên tắc cốt lõi của việc loại bỏ nitơ và phốt pho sinh học trong nước thải là tận dụng các hoạt động trao đổi chất của các vi sinh vật chức năng khác nhau trong môi trường kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí xen kẽ có kiểm soát để chuyển đổi dần các chất ô nhiễm như nitơ hữu cơ, nitơ amoniac và tổng phốt pho trong nước thải thành các chất khí thoát ra hoặc đông đặc thành bùn thải ra khỏi nguồn nước, nhờ đó đạt được khả năng lọc nước.
I. Nguyên tắc cốt lõi của việc loại bỏ nitơ sinh học khỏi nước thải
Nitơ trong nước thải tồn tại ở các dạng phức tạp, chủ yếu bao gồm nitơ hữu cơ, nitơ amoniac, nitơ nitrit và nitơ nitrat. Loại bỏ nitơ sinh học không phải là một quá trình phản ứng đơn lẻ mà là một-phản ứng sinh hóa vi sinh vật ba bước-ammoniac, nitrat hóa và khử nitrat-cuối cùng chuyển đổi các dạng nitơ khác nhau thành khí nitơ, loại bỏ nó khỏi vùng nước và đạt được tổng lượng loại bỏ nitơ. Toàn bộ quá trình dựa vào hoạt động trao đổi chất của các cộng đồng vi khuẩn khác nhau trong môi trường cụ thể của chúng.
(I) Phản ứng amoniac (Chuyển đổi nitơ hữu cơ)
Trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí, các chất ô nhiễm nitơ hữu cơ trong nước thải, chẳng hạn như protein, urê và axit amin, bị thủy phân và oxy hóa thành nitơ amoniac vô cơ (NH₃-N) thông qua quá trình phân hủy và chuyển hóa của vi khuẩn ammon hóa. Phản ứng này là-phản ứng trước cơ bản của quá trình loại bỏ nitơ sinh học, có khả năng thích ứng cao với môi trường và không yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các thông số như oxy hòa tan và nhiệt độ, cho phép quá trình diễn ra suôn sẻ trong các điều kiện xử lý nước thải thông thường. Quá trình phản ứng chuyển đổi nitơ hữu cơ phức tạp thành nitơ vô cơ đơn giản, cung cấp chất nền cho các phản ứng nitrat hóa và khử nitrat tiếp theo và là bước đầu tiên trong quá trình loại bỏ nitơ.
(II) Quá trình nitrat hóa (Quá trình oxy hóa nitơ amoniac)
Quá trình nitrat hóa là một phản ứng oxy hóa chủ yếu do các vi sinh vật tự dưỡng hiếu khí bao gồm hai giai đoạn: quá trình nitrat hóa và quá trình nitrat hóa. Cần có đủ oxy trong suốt quá trình và vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng chậm, chu kỳ phát triển dài và độ nhạy cao với nhiệt độ môi trường, pH và oxy hòa tan. Giai đoạn đầu tiên là quá trình nitrat hóa, trong đó vi khuẩn nitrat hóa oxy hóa nitơ amoniac thành nitơ nitrit; giai đoạn thứ hai là quá trình nitrat hóa, trong đó vi khuẩn nitrat hóa tiếp tục oxy hóa nitơ nitrit thành nitơ nitrat ổn định.
Vi khuẩn nitrat hóa là vi khuẩn tự dưỡng, nghĩa là chúng không tiêu thụ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải. Thay vào đó, chúng sử dụng năng lượng hóa học được tạo ra từ quá trình oxy hóa nitơ amoniac làm nguồn năng lượng để cố định carbon dioxide và tổng hợp các chất của chính chúng. Quá trình này là một bước oxy hóa quan trọng trong việc loại bỏ nitơ, thực hiện việc chuyển đổi nitơ khử thành nitơ oxy hóa và cung cấp cơ chất phản ứng cho quá trình khử nitrat tiếp theo.
(III) Khử Nitrat (Loại bỏ Nitrat)
Khử nitrat là phản ứng khử do các vi sinh vật dị dưỡng kỵ khí chiếm ưu thế và là bước cốt lõi cuối cùng trong quá trình loại bỏ nitơ sinh học. Trong môi trường kỵ khí thiếu oxy phân tử nhưng chứa nitơ nitrat, vi khuẩn khử nitrat sử dụng nguồn carbon hữu cơ trong nước thải làm chất cho điện tử để giảm dần nitơ nitrat và nitơ nitrit tạo ra trong phản ứng nitrat hóa, cuối cùng tạo ra khí nitơ (N₂) thoát ra bề mặt nước, loại bỏ hoàn toàn nitơ khỏi nước thải.
Quá trình khử nitrat phải phân biệt rõ ràng giữa môi trường kỵ khí và môi trường thiếu khí: môi trường kỵ khí thiếu oxy phân tử nhưng chứa oxy tổng hợp (nitơ nitrat), cho phép phản ứng khử nitrat diễn ra bình thường; trong khi môi trường kỵ khí thiếu oxy tổng hợp, cản trở phản ứng khử nitrat. Đồng thời, nguồn carbon hữu cơ là điều kiện cốt lõi cho quá trình khử nitrat; nguồn carbon không đủ trực tiếp dẫn đến giảm đáng kể hiệu quả loại bỏ nitơ. Trong kỹ thuật thực tế, việc bổ sung nguồn carbon ngoại sinh thường được sử dụng để đảm bảo hiệu quả loại bỏ nitơ.
II. Nguyên tắc cốt lõi của việc loại bỏ phốt pho sinh học khỏi nước thải
Nhóm vi khuẩn có chức năng cốt lõi để loại bỏ phốt pho sinh học là vi khuẩn tích lũy polyphosphate (PAO). Những vi sinh vật này có các đặc tính trao đổi chất độc đáo, cho phép chúng hoàn thành chu trình "giải phóng phốt pho{2}}hấp thu phốt pho" trong môi trường kỵ khí và hiếu khí xen kẽ, cuối cùng đạt được tổng lượng loại bỏ phốt pho khỏi vùng nước thông qua việc thải bùn dư thừa. Không giống như quá trình khử nitrat, quá trình loại bỏ phốt pho sinh học không tạo ra sản phẩm phụ dạng khí. Thay vào đó, nó làm đông cứng phốt phát trong nước bên trong vi sinh vật, giải phóng chúng dưới dạng bùn.
(I) Giai đoạn giải phóng phốt pho kỵ khí
Trong môi trường kỵ khí nghiêm ngặt, không có oxy phân tử và nitơ nitrat, vi khuẩn tích lũy polyphosphate (PAB) không thể sử dụng oxy bên ngoài để hô hấp hiếu khí, hạn chế nguồn năng lượng trao đổi chất của chúng. Ở trạng thái này, PPA phân hủy các polyphosphate được lưu trữ trong tế bào của chúng, giải phóng năng lượng để hấp thụ các nguồn carbon hữu cơ có trọng lượng-phân tử- thấp như axit béo dễ bay hơi (VFA) từ nước thải, chuyển chúng thành polyhydroxyalkanoates (PHA) để lưu trữ trong tế bào. Trong quá trình này, phốt phát nội bào được thải vào nước thải, khiến hàm lượng phốt pho trong nước tăng tạm thời-đây là quá trình giải phóng phốt pho kỵ khí.
(II) Giai đoạn hấp thụ lân hiếu khí dư thừa
Khi môi trường chuyển sang trạng thái hiếu khí, PPA không còn hấp thụ nguồn carbon hữu cơ mà thay vào đó phân hủy các PHA được lưu trữ ở giai đoạn kỵ khí, thu được một lượng năng lượng lớn thông qua quá trình oxy hóa và phân hủy chất hữu cơ. Bằng cách sử dụng năng lượng này, vi khuẩn tích lũy polyphosphate (PAC) hấp thụ quá mức photphat từ nước thải, vượt xa lượng thải ra trong giai đoạn kỵ khí. Lượng photphat dư thừa sau đó được lưu trữ trong tế bào dưới dạng polyphosphate, giúp làm giàu phốt pho và loại bỏ khỏi nước.
Cuối cùng, PAC-giàu phốt pho sẽ lắng xuống cùng với bùn và được loại bỏ hoàn toàn khỏi hệ thống nước thải thông qua quá trình xả bùn thải của hệ thống, nhờ đó hoàn thành toàn bộ quá trình loại bỏ phốt pho sinh học. Các đặc tính trao đổi chất xen kẽ của PAC là cốt lõi của quá trình loại bỏ phốt pho sinh học và việc chuyển đổi môi trường yếm khí-hiếu khí ổn định là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả loại bỏ phốt pho.
III. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến việc loại bỏ nitơ và phốt pho sinh học
Hiệu quả của việc loại bỏ nitơ và phốt pho sinh học phụ thuộc hoàn toàn vào hoạt động của vi sinh vật. Các đặc tính trao đổi chất của vi sinh vật xác định các thông số kiểm soát cốt lõi của quá trình vận hành. Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm hai loại: thông số môi trường và thông số chất lượng nước.
1. Oxy hòa tan: Quá trình nitrat hóa và hấp thu phốt pho hiếu khí cần có đủ oxy hòa tan; quá trình khử nitrat anoxic yêu cầu môi trường-oxy có hàm lượng oxy rất thấp; và việc giải phóng phốt pho kỵ khí đòi hỏi một môi trường kỵ khí tuyệt đối. Sự gián đoạn trong môi trường oxy sẽ trực tiếp dẫn đến việc loại bỏ nitơ và phốt pho không thành công.
2. Hàm lượng nguồn carbon: Cả vi khuẩn khử nitrat và vi khuẩn tích lũy polyphosphate{1}}đều dựa vào nguồn carbon hữu cơ để trao đổi chất. Khi tỷ lệ cacbon-to-nitơ và tỷ lệ cacbon-to{6}}phốt pho của nước thải quá thấp, cần phải bổ sung các nguồn cacbon ngoại sinh như natri axetat và glucose; nếu không, việc loại bỏ nitơ không hoàn toàn và hiệu quả loại bỏ phốt pho thấp sẽ xảy ra.
3. pH và nhiệt độ: Độ pH tối ưu cho vi khuẩn nitrat hóa là 7,5-8,5, trong khi độ pH tối ưu cho vi khuẩn tích lũy polyphosphate là 6,5-8,0. Nhiệt độ tối ưu cho vi sinh vật là 20-30 độ. Nhiệt độ thấp sẽ làm giảm đáng kể hoạt động của vi khuẩn và hiệu quả xử lý.
4. Tuổi bùn: Vi khuẩn nitrat hóa có chu kỳ phát triển dài, đòi hỏi tuổi bùn dài hơn để đảm bảo sự sống sót của vi khuẩn. Mặt khác, vi khuẩn tích lũy polyphosphate{2}}có thời gian tồn tại bùn ngắn hơn; tuổi bùn quá dài có thể dẫn đến sự giải phóng phốt pho từ bùn. Vì vậy, quy trình thực tế cần cân bằng tuổi bùn để đảm bảo hiệu quả loại bỏ cả nitơ và phốt pho.
IV. Nguyên tắc ứng dụng quy trình chính thống
Dựa trên các nguyên tắc cốt lõi về loại bỏ nitơ và phốt pho ở trên, ngành công nghiệp đã phát triển nhiều quy trình hoàn thiện khác nhau, tất cả đều nhằm mục đích tạo ra các môi trường phản ứng kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí xen kẽ. Quá trình A2/O là quá trình loại bỏ nitơ và phốt pho đồng thời cổ điển nhất. Nó hoàn thành tuần tự quá trình giải phóng phốt pho và lưu trữ cacbon bằng cách-vi khuẩn tích lũy polyphosphate trong vùng kỵ khí, khử nitrat trong vùng thiếu khí, quá trình nitrat hóa và hấp thu phốt pho quá mức do vi khuẩn tích lũy polyphosphate-trong vùng hiếu khí. Cuối cùng, việc loại bỏ nitơ và phốt pho đồng thời đạt được thông qua quá trình lắng và xả bùn. Ngoài ra, các quy trình A2/O, SBR và mương oxy hóa được sửa đổi đều dựa trên các nguyên tắc sinh hóa cốt lõi, tối ưu hóa cấu trúc bể và trình tự vận hành để thích ứng với các nhu cầu xử lý chất lượng nước khác nhau.
V. Kết luận
Bản chất của việc loại bỏ nitơ và phốt pho sinh học khỏi nước thải là sử dụng các đặc tính trao đổi chất khác biệt của các vi sinh vật chức năng và điều chỉnh nhân tạo môi trường nước để đạt được sự chuyển đổi các chất ô nhiễm nitơ và phốt pho và loại bỏ chúng khỏi vùng nước. Việc loại bỏ nitơ dựa vào các phản ứng từng bước của quá trình amoni hóa, nitrat hóa và khử nitrat hóa để loại bỏ khí, trong khi việc loại bỏ phốt pho phụ thuộc vào quá trình chuyển hóa theo chu kỳ của polyphosphate-vi khuẩn tích lũy-giải phóng phốt pho kỵ khí và hấp thu phốt pho hiếu khí-để đạt được quá trình hóa rắn và loại bỏ bùn. Sự hiểu biết thấu đáo về các nguyên tắc sinh hóa là nền tảng cốt lõi để tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải, nâng cao hiệu quả loại bỏ nitơ và phốt pho cũng như giải quyết vấn đề phú dưỡng trong các vùng nước. Nó cũng cung cấp hỗ trợ lý thuyết quan trọng cho việc bảo tồn năng lượng, giảm phát thải và nâng cấp xử lý nước thải.