Xử lý nitơ bằng quá trình nitrat hóa và khử nitrat

Xử lý nitơ bằng quá trình nitrat hóa và khử nitrat

1. Giới thiệu về Nitơ trong Nước thải 

Nitơ tồn tại trong nước thải chủ yếu dưới dạng amoniac (NH₃/NH₄⁺), nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻), và hợp chất hữu cơ. Nguồn gốc của nitơ bao gồm chất thải sinh hoạt, nông nghiệp (phân bón), và công nghiệp (dệt may, thực phẩm). Nếu không được xử lý, nitơ gây ra hiện tượng phú dưỡng (eutrophication) trong thủy vực, dẫn đến tảo nở hoa, suy giảm oxy, và hủy hoại hệ sinh thái. Do đó, việc loại bỏ nitơ là bắt buộc trong các nhà máy xử lý nước thải (WWTP).

2. Tầm quan trọng của Xử lý Nitơ 

– Ngăn chặn phú dưỡng: Nitơ là chất dinh dưỡng chính kích thích tăng trưởng tảo.
– Bảo vệ sức khỏe con người: Nitrat trong nước uống >10 mg/L gây hội chứng trẻ xanh (methemoglobinemia).
– Tuân thủ quy chuẩn xả thải: Giới hạn nitơ tổng (TN) thường dưới 15 mg/L tùy quốc gia.

3. Tổng quan về Nitrat hóa và Khử Nitrat 

Hai quá trình sinh học chính: 

– Nitrat hóa (hiếu khí): Chuyển NH₄⁺ → NO₃⁻.
– Khử nitrat (thiếu oxy): Chuyển NO₃⁻ → N₂.

4. Quá trình Nitrat hóa 

a. Vi sinh vật tham gia:

– Nitrosomonas: Oxy hóa NH₄⁺ thành NO₂⁻.
– Nitrobacter: Oxy hóa NO₂⁻ thành NO₃⁻.

b. Điều kiện môi trường: 

– Oxy hòa tan (chỉ số DO): ≥2 mg/L.
– pH: 7.0–8.5 (pH giảm do sản xuất H⁺, cần bổ sung kiềm).
– Nhiệt độ: Tối ưu 25–30°C (dưới 15°C, hiệu suất giảm mạnh).
– Thời gian lưu bùn (SRT): ≥5 ngày để duy trì vi khuẩn tự dưỡng.

c. Phương trình hóa học: 

NH4+ + 1.5 O2 => NO2- + 2 H+ + H2O (Nitrosomonas)

NO2- + 0.5O2 → NO3 (Nitrobacter)

Tổng cộng: 4.6 kg O₂ tiêu thụ/kg NH₄⁺-N.

d. Thách thức và Giải pháp: 

– Mất kiềm: 7.14 kg CaCO₃/kg NH₄⁺-N bị tiêu thụ. Cần bổ sung NaHCO₃ hoặc NaOH.
– Nhiệt độ thấp: Tăng SRT hoặc sử dụng màng sinh học (MBBR).

5. Quá trình Khử Nitrat 

a. Vi sinh vật tham gia:

– Pseudomonas, Paracoccus: Vi khuẩn dị dưỡng, sử dụng NO₃⁻ làm chất nhận electron.

b. Điều kiện môi trường:
– DO: <0.5 mg/L (môi trường thiếu oxy).
– Nguồn carbon: Methanol, acetate, hoặc BOD có sẵn.
– Tỷ lệ C/N: 3–5 g COD/g NO₃⁻-N.

c. Phương trình hóa học (sử dụng methanol): 

5CH3OH + 6NO3 → 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH

Lượng methanol cần: ~3.7 g/g NO₃⁻-N.

d. Tối ưu hóa: 
– Tận dụng BOD nội tại: Thiết kế vùng thiếu oxy trước vùng hiếu khí (cấu hình Ludzack-Ettinger).
– Carbon ngoại sinh: Sử dụng khi BOD thấp (ví dụ: nước thải công nghiệp).

6. Cấu hình Hệ thống Xử lý nước thải

a. Ludzack-Ettinger (MLE): 

– Vùng thiếu oxy → Vùng hiếu khí → Tuần hoàn nội bộ.
– Tận dụng BOD đầu vào để khử nitrat, giảm nhu cầu carbon.

b. Quy trình Bardenpho: 
– Thêm vùng thiếu oxy thứ hai để tăng hiệu suất khử nitrat (>90%).

c. Bể SBR (Sequencing Batch Reactor): 
– Kết hợp nitrat hóa/khử nitrat trong một bể theo chu kỳ (Fill, React, Settle, Decant).

d. Công nghệ MBBR/IFAS: 

– Giá thể di động (MBBR) hoặc giá thể cố định (IFAS) tăng mật độ vi sinh vật, phù hợp với tải trọng cao.

7. Giám sát và Điều khiển 

a. Thông số chính: 
– DO: Duy trì 2–3 mg/L ở vùng hiếu khí.
– pH: 7.0–8.5 (cảm biến tự động).
– ORP (Thế oxy hóa-khử): -50 đến +50 mV trong vùng thiếu oxy.

b. Công cụ: 
– Máy đo trực tuyến kết hợp PLC để điều chỉnh bơm không khí, bơm carbon.

8. Thách thức và Giải pháp 

a. Nitrat hóa không hoàn toàn: 
– Nguyên nhân: DO thấp, tải trọng cao, thiếu kiềm.
– Giải pháp: Lắp đặt hệ thống sục khí hiệu quả, bổ sung NaHCO₃.

b. Khử nitrat kém: 
– Nguyên nhân: Thiếu carbon, oxy dư từ tuần hoàn.
– Giải pháp: Tăng tỷ lệ tuần hoàn, thêm methanol.

c. Phát thải N₂O:
– Nguyên nhân: DO không ổn định, quá tải nitơ.
– Giải pháp: Kiểm soát chặt DO, tránh sốc tải.

9. Lợi ích Môi trường và Kinh tế 

– Môi trường: Giảm 95% nitơ, ngăn phú dưỡng, bảo vệ đa dạng sinh học.
– Kinh tế: Chi phí vận hành thấp hơn phương pháp hóa học (trao đổi ion, keo tụ).

10. Ứng dụng Thực tế 

– Nhà máy xử lý nước thải đô thị: Công nghệ AO kết hợp tuần hoàn bùn (Ví dụ: WWTP tại TP.HCM).
– Công nghiệp thực phẩm: Bổ sung methanol để xử lý nước thải giàu protein.

11. Xu hướng Phát triển 

– Công nghệ Deammonification: Kết hợp Nitrit hóa một phần và Anammox, tiết kiệm 60% năng lượng.
– Thu hồi Nitơ: Sản xuất ammonium sulfate làm phân bón từ nước thải.

12. Kết luận 

Xử lý nitơ bằng quá trình nitrat hóa và khử nitrat là giải pháp bền vững, hiệu quả cao. Thành công phụ thuộc vào việc tối ưu hóa điều kiện vận hành, giám sát liên tục, và lựa chọn công nghệ phù hợp. Các nghiên cứu về giảm phát thải N₂O và tích hợp công nghệ mới sẽ tiếp tục định hình tương lai của lĩnh vực này.

—
Tài liệu tham khảo: 
– Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery.
– EPA, Nitrogen Control Manual.
– Tchobanoglous, G., Wastewater Treatment for Pollution Control