Quá trình Nitrat hóa và ứng dụng trong xử lý nước thải chứa amoni

Nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh học của amoniac thành nitrit, sau đó oxy hóa nitrit thành nitrat. Đây là phản ứng hóa học quan trọng được ứng dụng trong xử lý nước thải, đặc biệt là hệ thống xử lý các chỉ tiêu về nitơ. Vậy quá trình nitrat hóa là gì, cùng Đông Á tìm hiểu chi tiết thông tin trong nội dung dưới đây nhé.

Quá trình nitrat hóa là gì?

Quá trình nitrat hóa (khử nitrat) là quá trình chuyển hóa Amonia (NH₃) thành Nitrate (NO₃^-) với sản phẩm trung gian là Nitrite (NO₂^-). Đây là quá trình quan trọng để khởi động chu trình chuyển hóa Nitơ nhờ vi sinh vật (vi khuẩn phản nitrat hóa).

Phản ứng diễn ra trong quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa là:

NO₃^- + 2H⁺ + 2e^- → NO₂^- + H₂O

NO₂^- + 2H⁺ + e^- → NO + H₂O

2NO + 2H⁺ + 2e^- → N₂O + H₂O

N₂O + 2H⁺ + 2e^- → N₂ + H₂O

Quá trình nitrat hóa diễn ra theo sơ đồ phản ứng tổng thể:

NO₃^- + 10e^- + 12H⁺ → N₂ + 6H₂O

Quá trình được thực hiện chủ yếu bởi vi khuẩn dị dưỡng như Pseudomonas, Paracoccus denitrificans và 1 số vi khuẩn khử nitơ tự dưỡng Thiobacillus denitrificans. Sau quá trình nitrat và phản nitrat hóa trong xử lý nước thải, các hợp chất chứa nitơ chuyển thành khí nitơ trước khi thải vào khí quyển.

Ảnh hưởng của nước thải chứa amoni

Amoni là 1 trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ, tồn tại trong nước ở 2 dạng là NH₃ và NH₄⁺. Trong đó ở dạng NH₄⁺ ít độc, nên việc xử lý amoni trong nước thải chủ yếu là xử lý dạng NH₃ (amoniac).

Amoni trong nước không tồn tại lâu mà dễ dàng chuyển thành nitrite. Với những mẫu nước nhiễm amoni từ 20mg/l trở lên, chúng ta có thể ngửi thấy mùi khai. Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình chuyển hóa, công nghiệp, nông nghiệp và quá trình khử trùng nước bằng cloramin.

Ảnh hưởng của amoni trong nước cụ thể:

Mặc dù amoni không quá độc nhưng nếu tồn tại trong nước vượt quá ngưỡng cho phép có thể chuyển hóa thành các chất gây bệnh nguy hiểm và bệnh ung thư.
Amoni làm cản trở công nghệ xử lý cấp nước, làm giảm hiệu quả khử trùng và giảm tác dụng của clo. Amoni kết hợp các chất vi lượng (photpho, chất hữu cơ, sắt…) tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển, gây ảnh hưởng tới chất lượng nước (làm đục nước, đóng cặn hệ thống chứa nước và dẫn nước) sau xử lý.
Khi nước bị xuống cấp, làm giảm các yếu tố cảm quan (NH4+) là nguồn dinh dưỡng để vi sinh vật, tảo rêu phát triển trong đường ống gây rò rỉ, ăn mòn và mất mỹ quan.
Khi nồng độ amoni trong nước cao, dễ hình thành nitrit (NO3-), nitrat (NO2-). Nếu các chất này ở trong cơ thể động vật có thể biết thành N - nitroso - là chất tiền ung thư.
Nước nhiễm amoni có thể dễ dàng chuyển hóa thành các chất độc hại, khó xử lý

Nitơ trong nước có thất gây 1 số bệnh nguy hiểm cho người dùng nước.

Nitrat trong nước có thể tạo ra chứng thiếu vitamin, kết hợp với amin tạo nên nitrosamine là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi.

Sử dụng nước có chứa nitrit, cơ thể hấp thu chất này vào máu làm cạnh tranh oxy với hồng cầu, hemoglobin mất khả năng lấy oxy gây ra hiện tượng xanh da do thiếu máu.

Nitrit đặc biệt nguy hiểm với trẻ sơ sinh dưới 6 tháng làm trẻ chậm phát triển, gây bệnh ở đường hô hấp, làm trẻ ốm yếu, xanh xao, thiếu máu, khó thở do máu thiếu oxy.

Nitrit kết hợp với các axit amin trong thực phẩm tạo thành hợp chất nitrosamine, có thể gây tổn thương tế bào (ung thư) đối với người lớn.

Xử lý amoni trong nước thải

Để xử lý amoni trong nước thải có thể áp dụng một số phương pháp sau:

Phương pháp hóa lý: trao đổi ion, tripping, hấp phụ
Phương pháp hóa học: kết tủa amoni bằng MAP (magie amoni photphat), oxi hóa amoni
Phương pháp điện hóa
Phương pháp sinh học: quá trình denitrat, nitrat và quá trình anammox

Khi chọn phương pháp xử lý chúng ta cần cân nhắc các yếu tố chính là nồng độ ammonium trong nước thải, hiệu quả xử lý và giá thành. Ví dụ:

Nếu xử lý nước thải sinh hoạt có nồng độ amoni < 100mg/l thì sử dụng phương pháp vi sinh là thích hợp nhất
Nếu nồng độ amoni 100 - 5.000 mg/l nên áp dụng phương pháp vi sinh hoặc sục khí bay hơi
Nếu nồng độ amoni > 5.000 mg/l nên sử dụng phương pháp hóa lý đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế

Phương pháp xử lý amoni thông dụng, đơn giản và tối ưu nhất để xử lý amoni và nitơ trong nước thải là phương pháp sinh học. Để sử dụng tốt phương pháp yêu cầu phải hiểu chính xác công thức BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1. Theo quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT có 2 chỉ tiêu liên quan đến nitơ là NO3- và NH4+ tính theo N.

NH₄⁺ => NO₃^- qua quá trình nitrification (xảy ra trước ở bể hiếu khí)
NO₃^- => N₂ tự do qua quá trình denitrification (xảy ra sau ở bể thiếu khí)

Như vậy nếu quá trình xử lý hiếu khí trước, BOD có thể mất hết, trong khi nitơ chỉ ở dạng NO₃^- và chưa tách thành dạng N₂ tự do. Như vậy, sau khi xử lý nước thải chỉ đạt chỉ tiêu amoni và BOD, không đạt chỉ tiêu nitrat.

Do đó, để giảm thể tích các bể chứa, thiết kế thông thường bể Anoxic trước bể Oxic, quá trình chuyển hóa NO₃ => N₂ diễn ra nhờ dòng bơm tuần hoàn trong bể Anoxic.

Cơ chế của quá trình nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra như sau:

Quá trình nitrat hóa

Bước 1: Quá trình biến đổi amoniac (NH₃, NH₄⁺) => nitrit (NO₂) nhờ vi khuẩn Nitrosomonas

NH₄^- + 1,5 O₂ –> NO₂^- + 2H⁺ + H₂O

Bước 2: Chuyển hóa NO₂ => nitrat (NO₃) nhờ vi khuẩn Nitrobacter và kết thúc quá trình nitrat hóa

NO₂^- + 0,5 O₂ –> NO₃^-

Vi khuẩn Nitơsomonas và Nitơbacteria sử dụng năng lượng từ các phản ứng trên để duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Phương trình tổng hợp:

NH₄^- + 2 O₂ –> NO₃^- + 2H⁺ + H₂O

Phương trình tổng hợp sinh khối:

4CO₂ + HCO₃^- + NH₄⁺ + H₂O –> C₅H₇O₂N + 5O₂

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

Quá trình oxy hóa và phản ứng tổng hợp thể hiện qua phản ứng:

NH₄⁺+1,83O₂+1,98 HCO₃- –> 0,021C₅H₇O₂N + 0,98NO₃^-+1,041H₂O+1,88H₂CO₃

Quá trình khử nitrat hóa

Quy trình chuyển sang giai đoạn khử nitrit, tách phân tử oxy của nitrat và nitrit để oxy hóa chất hữu cơ, giải phóng N2 ra môi trường

Phương trình khử nitrat:

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

Phương trình khử nitrit:

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

Quá trình nitrat hóa là chu trình xử lý nitơ trong nước thải và kết thúc đến bước thứ 2. Quá trình này khử nitrat thành khí N2 về khí quyển, làm giảm hàm lượng nitơ, amoniac nồng động cao trong nước thải. Từ đó giúp các khu đô thị, nhà máy, xí nghiệp… xử lý nước thải đáp ứng tiêu chí theo quy định, giảm thiểu tác hại đến môi trường và sức khỏe con người.

Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa:

Nồng độ amoniac: nếu amoniac không đủ dư, không thể hỗ trợ quá trình Nitrat hóa
Nồng độ pH: Để vi khuẩn hoạt động thì độ pH = 6.0-9.0, khi tích hợp vào men vi sinh độ pH lý tưởng để vi khuẩn Nitrat hóa phát triển từ 7.5-8.5 mang lại hiệu quả cao.
Độ kiềm: Cần 7,15 mg/l độ kiềm để oxy hóa 1 mg/l Amoniac (chuyển thành Nitrat) . Các hệ thống được kiểm soát độ kiềm từ 100 – 200 mg/l CaCO₃^-. Khi tích hợp vào sản phẩm men vi sinh thì độ kiềm cacbonat tối ưu phải lớn hơn hoặc bằng 150g/l.
Oxy hòa tan: Hàm lượng oxy hòa tan DO >3.0 mg/L đảm bảo có đủ oxy cho quá trình Nitrat diễn ra.
Thời gian lưu nước: Thời gian lưu nước tối thiểu là khoảng 4h bể sục khí
Thời gian lưu bùn trung bình MCRT > 10 ngày, tuổi bùn và tỷ lệ F:M thấp hơn
Nhiệt độ của vi khuẩn nitrat hóa: Nhiệt độ tối ưu từ 30 - 36 độ C.
Chất dinh dưỡng: Chất dinh dưỡng cần cho vi khuẩn Nitrat là Orthophosphate
Độc tính và chất ức chế quá trình Nitrat hóa: ví dụ Thiourea, Anilin, Xyanua, Phenol, và kim loại nặng (bạc, đồng, niken, crom, thủy ngân và kẽm).

Như vậy quá trình nitrat hóa là bước đầu tiên của chu trình nitơ và đóng vai trò quan trọng trong quy trình chuyển hóa amoniac thành nitrat. Quá trình này hỗ trợ quá trình xử lý nitơ trong nước thải và đang được vận hành tại nhiều hệ thống xử lý nước thải hiện nay. Nếu bạn muốn tìm thông tin chi tiết hơn hoặc giải đáp các thắc mắc có liên quan vui lòng liên hệ với Đông Á, chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ.