Xử lý amôni trong nước ngầm và giá thể vi sinh phù hợp

xử lý amôni bằng kỹ thuật lọc sinh học
1. Cơ sở khoa học của phương pháp:
Sự chuyển hóa các hợp chất amôni trong nước nhờ vi sinh bao gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và đềnitrat hoá.
• Quá trình nitrat hóa:

Quá trình nitrat hóa được thực hiện như một phản ứng nối tiếp gồm hai bước, trong đó bước nitrit hóa là bước chậm hơn nên quyết định vận tốc toàn bộ phản ứng. Vì vậy, trong nước sau xử lý vẫn còn một lượng nhỏ NO2- (cỡ < 0,2 mg/L). Các vi khuẩn thực hiện quá trình nitrat hoá thuộc nhóm vi khuẩn tự dưỡng, nghĩa là chúng lấy nguồn cácbon để xây dựng tế bào từ cácbon vô cơ có sẵn trong nước (chủ yếu là HCO3--độ kiềm).
• Quá trình denitrat hóa:
Nếu trong nước không có ôxy và có mặt chất hữu cơ mà vi sinh hấp thụ được sẽ xẩy ra quá trình anoxic, khi đó vi khuẩn dị dưỡng sẽ sử dụng NO3- như nguồn ôxy để ôxy hóa chất hữu cơ, còn NO3- bị khử thành khí nitơ theo phương trình:
NO3- HC VK ? N2 CO2 H2O VK'
Quá trình này đòi hỏi các điều kiện:
Do quá trình này được các vi khuẩn dị dưỡng thực hiện nên phải có đủ lượng hữu cơ để vi khuẩn phát triển (dùng nước thải hoặc metanol hoặc chất hữu cơ khác). Quá trình này có tốc độ khá lớn: 0,03 ? 0,11 kg NO3-N/kg VSS.ngđ. (SDA, 1989). Bản chất và nồng độ chất hữu cơ có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
Nếu thiếu chất hữu cơ, quá trình sẽ chậm và xẩy ra ở vùng vi khuẩn chết (endogenous denitrification). Khi đó tốc độ chỉ ở mức 0,01 ? 0,03 kg NO3-N/kg VSS.ngđ. (Stensel, 1981).
2. Các phương pháp thực hiện:
Các phương pháp thực hiện các quá trình xử lý bằng vi sinh, kể cả nitrrat hoá và đenitrat hoá bao gồm hai nhóm phương pháp: (1) nhóm phương pháp sử dụng các quá trình trong đó vi sinh phân tán đều trong thể tích phản ứng gọi là quá trình bùn hoạt tính (BHT) và (2) nhóm phương pháp dùng các quá trình với lớp vi sinh cố định trên chất mang gọi là các quá trình màng vi sinh (MVS).
3. Bản chất của quá trình xử lý N bằng vi sinh:
3.1. Nitrat hóa:
Như đ• biết quá trình nitrat hóa gồm hai bước nối tiếp. Bước một amôni được ôxy hoá thành nitrit được thực hiện nhờ Nitrosomonas là chính. Bước tiếp theo nitrit được ôxy hoá thành nitrat do Nitrobacter thực hiện. Cả hai loại vi khuẩn này thuộc nhóm vi khuẩn tự dưỡng nghĩa là nguồn cacbon để sinh tổng hợp ra các tế bào vi khuẩn mới là cacbon vô cơ (HCO3- là chính), ngoài ra chúng tiêu thụ mạnh O2, tuy nhiên, nếu ngừng cấp khí một thời gian dài chúng cũng khó bị tiêu diệt hoàn toàn và có thể nhanh chóng hồi phục (Painter, 1970).
3.1.1. Phương trình tỉ lượng:
Quá trình chuyển hóa về mặt hóa học được viết như sau:
NH4 1,5O2 ? NO2- 2H H2O (4.1)
NO2- 0,5O2 ? NO3- (4.2)
Phương trình tổng:
NH4 2O2 ? NO3- 2H H2O (4.3)
Như vậy,
1 mol NH4 tiêu thụ 2 mol O2
1 mol NH4 tạo thành 1 mol NO3-
1 mol NH4 tạo thành 2 mol H
hay là,
1 g NH4 -N tiêu thụ 4,57 g O2
Lượng H tạo ra phản ứng với độ kiềm HCO3-,
như vậy:
1 g NH4 -N tiêu thụ 7,14 g độ kiềm (quy về CaCO3)
Các phương trình (4.1-4.3) không tính đến quá trình sinh tổng hợp. Nếu tính cả các quá trình tổng hợp sinh khối (vi khuẩn), theo Gujer và Jenkins (1974) ta có:
1,02NH4 1,89O2 2,02HCO3-
? 0,021C5H7Oơ2N 1,00NO3- 1,92H2CO3 1,06H2O (4.4)
Như vậy,
1 gam NH4 -N tiêu thụ 4,3 g O2
1 gam NH4 -N tiêu thụ 7,2 g độ kiềm (quy về CaCO3)
Để thiết kế người ta hay dùng các con số suy ra từ các phương trình (4.4?4.3) là 4,3 g O2 và 7,14 g độ kiềm CaCO3/ 1 g NH4 -N để tính toán.
3.1.2. Động học:
Về nguyên tắc tốc độ phát triển Nitrosomonas nhỏ hơn Nitrobacter, bằng chứng là nồng độ NO2- thường chỉ ở mức 0,2 mg/L hoặc ít hơn. Như vậy, bước nitrit hoá là bước quyết định tốc độ nên có thể xét động học nitrat hoá như một phản ứng một giai đoạn. Khi đó phương trình Monod (Monod, 1949) mô tả quá trình phát triển vi sinh bị giới hạn bởi nồng độ cơ chất có thể áp dụng. Cơ chất quyết định tốc độ phát triển vi sinh là NH4 , DO, khi đó phương trình Monod kép là phù hợp (Henze,1986):

?A = ?A ( ) ( ) (4.5)

Trong đó: ?A - tốc độ phát triển vi khuẩn tự dưỡng (gam vi khuẩn sinh ra/gam vi khuẩn hoạt động. ngđ)
?A - tốc độ phát triển đặc trưng cực đại (ngđ-1)
SNH - nồng độ NH4 , mgN/L
KNH - hằng số bán b•o hoà đối với amoni, mgN/L
SO2 - nồng độ DO trong nước, mgO2/L
KO2 - hằng số bán b•o hoà đối với oxy, mgO2/L.
Theo phương trình Monod ở giai đoạn đầu khi S nhỏ, ?A tăng gần như tuyến tính với S, khi nồng độ cơ chất S lớn, ?A tiệm cận tới giá trị cực đại ?A và thể hiện bậc không theo S.
Mối quan hệ giữa tốc độ oxy hoá amoni qA với tốc độ phát triển đặc trưng ?A được thể hiện qua phương trình:

qA = .?A (4.6)

trong đó: qA- tốc độ ôxy hoá amoni đặc trưng, gam NH4 bị ôxy hoá/ngđ.gam vi khuẩn nitrat hoá.
YA- hiệu suất tạo vi khuẩn, gam vi khuẩn nitrat hoá sinh ra/gam amoni bị ôxy hoá.
Nếu tính cả quá trình phân r• ta có:

?x = (4.7)

trong đó: ?x- thời gian sống trung bình của vi khuẩn, ngđ1
bA- hệ số phân r• của vi khuẩn tự dưỡng, ngđ-1.
Phần lớn các giá trị ?A được cho trong các tài liệu nghiên cứu là đại lượng tổng và bA trong phương trình (4.7) thường được bỏ qua.
Các giá trị của các hệ số động học:
Tổng quan cho thấy các giá trị động học trích dẫn từ các nguồn khác nhau có giá trị rất khác nhau. Đó là vì điều kiện nghiên cứu phản ứng rất khác nhau do các đại lượng này chịu ảnh hưởng của pH, To, chất độc, vận chuyển ôxy hoà tan -DO... Ngoài ra còn phải kể đến sự cạnh tranh với các vi khuẩn dị dưỡng để tiêu thụ DO và NH4 .








Bảng 4.1- Tốc độ nitrat hoá đặc trưng và sự phụ thuộc vào nhiệt độ
(Randall et al. Water Science and Technology, Vol 25, p. 195, 1992)

Nguồn
?Amax. (t, oC) ?A, ngđ-1
10o 15o 20o
Downing, 1964
Downing and Hopwood, 1964
Hultman, 1971
Barnard, 1975
Painter et al, 1983
Beccari, 1979
Hall, 1980
Lawrence, 1976 0,47.e0,098(T-15)
0,18.e0,116(T-15)
0,50.100,033(T-20)
0,33.(1,127)(T-20)
0,18.e0,0729(T-15) 0,29
0,10
0,23
0,10
0,12 0,47
0,28
0,34
0,28
0,18 0,77
0,32
0,50
0,37
0,26
0,27
0,46
0,50
Như vậy giá trị ?A dao động từ 0,1 đến 0,77 ngđ-1 và rất phụ thuộc vào nhiệt độ.
Đối với các quá trình nitrat hoá nhiệt độ tối ưu là 30 – 36 oC và vùng nhiệt độ áp dụng được là 4 – 50 oC (Focht and Chang, 1975; Painter, 1970). Ngoài ra, khi công bố các gía trị động học cần lưu ý tới các ảnh hưởng của các chất độc vi sinh.
ảnh hưởng của pH:
Để đặc trưng cho ảnh hưởng này, ta dùng hệ số fpH là tỉ số giữa tốc độ phát triển vi sinh đặc trưng ở pH nghiên cứu và ?A ở pH tối ưu. Thực nghiệm cho thấy khoảng pH tối ưu khá rộng và dao động quanh giá trị pH = 8 (6 - 10). Hình 4.3 mô tả hiện tượng này. Khi thí nghiệm xác định pH tối ưu cần lưu ý khả năng thích nghi của vi khuẩn, vậy các phép đo phải được thực hiện ngay khi đưa vào môi trường pH mới.
Đại lượng KDO các tài liệu công bố nằm ở mức 0,15 - 2 mg/L và cho ở bảng 4.2. Đại lượng KNH cho trong bảng 4.5 và nằm trong khoảng 0,5 – 10 mg/L. KNH tương tự như ?A sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và có thể được mô tả bằng phương trình:
KNH = 0,4.?0,118(T-15) (4.Cool
Một số giá trị đ• công bố cho thấy chúng không phù hợp với phương trình đ• nêu. Do vậy, ở 20oC Henze (1986) đề nghị dùng giá trị KNH = 1,0 mg/L hoặc nhỏ hơn để tính toán.
Bảng 4.2- Các giá trị KOA theo tài liệu
Nguồn Loại vi khuẩn KOA, mg O2/l
Loveless, 1968
Peeters, 1969
Laudelot, 1974
Peeters, 1969
Laudelot, 1976
Nagel, 1969
Stenstrom, 1991 Nitrosomonas
Nitrosomonas
Nitrosomonas
Nitrobacter
Nitrobacter
Bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính 0,30
0,25
0,50
1,84
0,72
2,00
0,45 – 0,56
3.1.3. Chất độc:
Các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá không sống dai như vi khuẩn bùn hoạt tính dị dưỡng. Chúng nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất. Số liệu về độc tính của các chất có thể tìm thấy trong các tài liệu chuyên nghành.
Cần lưu ý về độc tính của amoniac (khí không phân li) và HNO2 không phân li. Bảng 5.4 cho ta các số liệu về hiện tượng này, theo đó đối với NH3 nitrobacter nhạy cảm hơn nitrosomonas. Turk và Mavinic (1986) chỉ ra rằng các qúa trình ôxi hoá nitrit bị ức chế khi nồng độ NH3-N đạt 0,1 -1 mg/L và ở nồng độ NH3-N từ 5 -20 mg/L, qúa trình oxi hóa NH4 cũng bị ức chế. Tuy nhiên, Ford (1986) lại cho số liệu về nồng độ gây ức chế qúa trình ôxi hóa nitrit cao hơn nhiều (10 - 150 mg NH3 -N/L).
Đối với NO2-, sự oxi hóa NH4 ở pH thấp ít bị ảnh hưởng hơn sự ôxy hóa nitrit. Sự có mặt của NO2- và pH thấp sinh ra HNO2 không phân li, đây tác nhân gây ức chế qúa trình ôxy hoá nitrit.
Alleman (1985) cho thấy khi nồng độ nitrit cao tới 27 mg/L thì nitrobacter bị ức chế mạnh hơn nitrosomonas. Alleman cũng cho rằng nhiệt độ thấp, DO thiếu và CO2 cao, sự có mặt của NH3 tự do và dư lượng bùn làm giảm tốc độ phát triển của nitrobacter và kéo theo sự giảm oxi hóa nitrit. Ngoài ra, sốc amoni và sự khử nitrat có thể gây ra sự tích luỹ chất độc NO2-. Đó là do nitrosomonas ít nhạy cảm hơn đối với sốc amoni và nhanh chóng thích nghi hơn nitrobacter dẫn tới sự tích luỹ nitrit trong hệ.
Nếu DO giảm, NO2- cũng sẽ tăng và có thể đạt tới 36 mg/l, nếu tăng DO, nitrit giảm nhanh xuống 10 mg/l ( Tanaka 1982).
3.1.4. Hệ vi sinh cố định trên vật liệu mang
Bảng 4.3 Nồng độ NH4 - N và NO2 –N gây ức chế Nitrobacter (Wat.Sci.& Tech, 1992,V.25, p.195)
pH NH4 - N, mg/l NO2 –N, mg/l
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0 210-2100
70-700
20-210
7-70
2-20 30-330
88-1050
260-3320
Các quá trình vi sinh cố định càng ngày càng phổ biến trong công tác xử lý cả nước thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như nước cấp.
Từ nay ta gọi tắt là hệ vi sinh cố định là hệ màng sinh học-MSH. Trong các hệ này lớp vi khuẩn hoạt động được mang lên các vật liệu trơ bố trí trong bồn phản ứng.
Đối với các hệ MSH các thủ thuật động học sử dụng trong hệ bùn hoạt tính vẫn có giá trị, tuy nhiên phải tính tới các yếu tố khuếch tán DO vì đây là yếu tố quyết định.Vì vậy, việc thiết kế các hệ sử dụng màng sinh học chủ yếu vẫn là theo các phương trình kinh nghiệm.
Trong hệ màng sinh học yếu tố cạnh tranh giữa hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng có vai trò lớn hơn trong hệ bùn hoạt tính. Nếu chất hữu cơ quá nhiều các nhóm vi khuẩn dị dưỡng sẽ lấn át các vi khuẩn tự dưỡng. Nồng độ hữu cơ theo BOD5 tốt nhất là khoảng 20 mg/l.
Nghiên cứu quá trình nitrat hoá trên hệ màng sinh học cho thấy quá trình khuếch tán trong màng vi sinh chậm hơn nhiều so với khuếch tán qua màng chất lỏng.
3.1.5. Những hệ màng sinh học phổ biến trong thực tế:
Những hệ màng sinh học hay gặp là:
* Đĩa sinh học quay ( Rotating Biological Contactor - RBC)
* Lọc nhỏ giọt ( Tricling Filer - TF)
* Lọc ngập nước với lớp đệm (Submerged Packed - Bed Reactor)
* Lọc ngập nước tầng sôi ( Reactor with Fluidized Bed - RFB)
Ưu thế so với bùn hoạt tính :
* ít mất nhiệt hơn
* Chiếm ít nhiệt hơn
* Không cần quay vòng bùn
* Loại trừ nguy cơ bùn nổi ở bể lắng thứ cấp do không cần bể lắng cấp hai
3.2. Denitrat hoá:
3.2.1. Cơ sở sinh hoá:
Khác với quá trình nitrat hoá quá trình denitrat sử dụng ôxy từ nitrat nên gọi là anoxic (thiếu khí). Các vi khuẩn ở đây là dị dưỡng nghĩa là cần cacbon hữu cơ để tạo sinh khối mới.
Để tổng hợp sinh khối vi khuẩn cần N, vì amoni có thể chuyển hoá trực tiếp thành tế bào nên vi khuẩn sẽ ưu tiên tiêu thụ amoni so với N dưới các dạng khác. Thường amoni thiếu, vì vậy một số loại vi khuẩn có thể khử NO3- thành NH4 để tiêu thụ (Gayle, 1989). Đây là quá trình đồng hoá khử nitrat nghĩa là N - NO3 đ• chuyển hoá khử nitrat là quá trình chính trong hệ denitrat khi vi khuẩn tiêu thụ NO3- để tạo năng lượng.
Quá trình denitrat là tổng hợp của bốn phản ứng nối tiếp sau:
NO3- ? NO2- ? NO (k) ? N2O(k) ? N2 (k)
Quá trình này đòi hỏi nguồn cơ chất - chất cho điện tử, chúng có thể là chất hữu cơ (phổ biến nhất là metanol), H2, S. Khi có mặt đồng thời NO3- và các chất cho e-, chất cho e- cho điện tử (bị oxy hoá) đồng thời N - NO3- nhận e- và bị khử về N2.
Gayle (1989) đ• phân lập được ít nhất 14 loại vi khuẩn tham gia vào quá trình denitrat hoá. Chúng là Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocus, Spirilum và Thiobacilus. Phần lớn các vi khuẩn loại này là dị dưỡng nghĩa là chúng dùng cacbon hữu cơ mà chúng sẽ ôxy hoá để tổng hợp tế bào mới. Chỉ có Thiobacilus denitrifcans là sử dụng nguồn e- từ lưu huỳnh nguyên tố để tạo năng lượng và nguồn cacbon vô cơ (từ CO2 và HCO3-) để tổng hợp tế bào mới.
Nếu sử dụng nguồn cacbon là Metanol hoặc Metan thì vi khuẩn Methylotrophic sẽ chuyển hoá các cơ chất tan tốt như xitrat và isoxitrat để vi khuẩn hấp thụ và sử dụng như nguồn e-.
3.2.2. Các phương trình cơ bản:
Các phương trình tỉ lượng của quá trình denitrat hoá phụ thuộc vào bản chất nguồn cacbon sử dụng:
6NO3- 5CH3OH ? 3N2 5CO2 7H2O 6OH-
8NO3- 5CH3COOH ? 4N2 10CO2 6H2O 8OH-
8NO3- 5CH4 ? 4N2 5CO2 6H2O 8OH-
10NO3- 5C10H19O3N ? 5N2 10CO2 3H2O NH3 10OH-
Ghi chú: C10H19O3N - công thức trung bình của nước thải sinh hoạt
Nhóm OH- sẽ phản ứng với CO2 tạo độ kiềm bicacbonat:
OH- CO2 ? HCO3-
Cũng như trường hợp nitrat hoá, nếu tính cả quá trình sinh tổng hợp thì ta có:
NO3- 1,08C H3OH 0,24 H2CO3 đ 0,056C5H7NO2 0,47N2 1,68H2O HCO3-
Xem ti?p .........

Cho nước chảy qua bể khuấy sẽ giảm đc 30% hàm lượng Amoni ( bay hơi) phần còn lại dùng chế phẩm vi sinh Aquaclean N1. thằng này của Mỹ xài hiệu quả lại đơn giản hơn nhiều..!