Bài giảng Quá trình phản nitrate hóa

QUÁ TRÌNH PHẢN NITRATE HÓA Nội dung • Nguồn NO3- trong hệ thống thủy sản • Quá trình phản nitrate và các sản phẩm trung gian • Sức sản xuất thu được từ quá trình phản nitrate • Nguồn carbon cho quá trình phản nitrate • Ảnh hưởng của phản nitrate lên độ kiềm • Nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phản nitrate Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Nội dung • Các hợp chất của P trong hệ thống nuôi thủy sản • Quá trình chuyển hóa của các hợp chất P trong hệ thống nuôi thủy sản • Nguyên lý của các biện pháp làm giảm P trong hệ thống nuôi thủy sản Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Chất thải từ cá Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học NH4+, PO43-, CO2 Vật chất hữu cơ NO3- tích tụ Nitrate Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học NO3- Không độc cho tôm cá <500 mg/L Loại bỏ ⇒ Thay nước Chuyển hóa ⇒ Phản nitrate hóa Phản nitrate Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học NH3/NH4+ NO2- NO3- NO2-N2 Tảo Phản nitrate Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học NO-3 NO-2 NO N2O N2 Nitrate Nitrite Nitric oxide Nitrous oxide Nitrogen Vi sinh vật Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Chromobacterium, Pseudomonas, Rhodopseudomonas, Vibrio Chuyển hóa vật chất năng lượng Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học • NO3 • Organic carbon 1/70C18H19O9N+1/5NO-3+1/5H+ 1/10N2+17/70CO2+1/5H2O+1/70NH4+1/70HCO-3 ∆Go(W)=-103KJ/e-eqv Sinh trưởng Sức sản xuất (yield) Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học 0.61C18H19O9N+4.54NO-3+0.39NH+4+4.15H+ C5H7NO2 +2.27N2+5.98CO2+5.15H2O 0.65C18H19O9N+4.89NO-3+4.89H+ C5H7NO2 +2.27N2+6.70CO2+5.12H2O Sức sản xuất =0.47kg sinh khối/kg vật chất hữu cơ Sức sản xuất=0.44kg sinh khối/kg Vật chất hữu cơ Động hóa học Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học µ=µmax SN-NO3 SN-NO3+KN-NO3 Sc Sc+Kc Monod Nguồn carbon Nitrate Nguồn carbon Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Nguồn carbon = chất cho điện tử 1.Chất thải 2. Sản phẩm phân hủy 3.Nguồn ngoài Nguồn carbon Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Methanol 5CH3OH +6NO-3 3N2+5CO2+7H2O+6OH- Acetate 5CH3COOH +8NO-3 4N2+10CO2+6H2O+8OH- Nước thải C10H19O3N+10NO3- 5N2+10CO2+3H2O+NH3+ 10OH- Nhân tố ảnh hưởng đến phản nitrate Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học • Nguồn năng lượng • Nhiệt độ • pH • Oxy hòa tan Nhân tố ảnh hưởng đến phản nitrate Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Năng lượng = chất nền carbon Nguồn carbon ngoại sinh Sử dụng nguồn nội sinh Methanol Acetate Thất thải Xác sinh vật Ảnh hưởng của pH Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học 6 7 8 9 10 0.4 0.6 1.0 H o ạ t đ ộ n g t ư ơ n g đ ố i 0.2 0.8 Sinh trưởng tối đa Oxit nitơ gây độc Ảnh hưởng của nhiệt độ Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học 0 5 10 15 20 0.1 100 g N - N O 3 / k g V S S / h 1 10 Nhiệt độ (oC) 25 30 Methanol Nguồn carbon nước thải Nguồn carbon nội sinh Ảnh hưởng của oxy hòa tan Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Oxy hòa tan ảnh hưởng đến phản nitrate theo 2 trường hợp:
Kiềm chế quá trình khử thành N2 (DO>2.5 - 5 mg/L)
Ức chế hoạt động khử (DO<0.2 mg/L) DO>2.5 - 5 mg/L Tích tụ các dạng trung gian NO-2, NO2, N2O Phản nitrate ảnh hưởng đếnđộ kiềm Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học 0.61C18H19O9N+4.54NO-3+0.39NH+4+4.15H+ C5H7NO2 +2.27N2+5.98CO2+5.15H2O 0.65C18H19O9N+4.89NO-3+4.89H+ C5H7NO2 +2.27N2+6.70CO2+5.12H2O Độ kiềm tăng= 0.91 eqv mol NO-3-N Độ kiềm tăng= 1 eqv/mol NO-3-N Tăng pH của nước Bài tập Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học NO3 trong bể cá = 400 g. Độ kiềm tăng bao nhiêu nếu 90% NO3- chuyến hóa thành to N2? 1 mole of NO3 =62 g Trả lời: Chuyển hóa NO3 (moles) = (400g*90%)/62g/mole = 5.8mole Độ kiềm tăng ~ 5.8 mole*1 Eqv/mole =5.8 Eqv Chất thải phốt-pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Bùn đáy Nước Vật chất hữu cơ NH4, P, CO2 NH4, P, C H2PO4- HPO42- PO43- Chất thải phốt-pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Thức ăn (100%) Cá tích lũy(15-30%) Hòa tan (16-26%)Lơ lửng (51-59%) FAO, 1992 ? Phóng thích từ nền đáy Lắng tụ Loại bỏ phốt-pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học H2PO-4 HPO2-4 PO3-4 P kết tủa Chuyển hóa dạng hòa tan thành dạng kết tủa Loại bỏ ? Loại bỏ phốt-pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học • Hấp thụ phốt-pho trong sinh khối thông thường • Kết tủa bằng các ion kim loại • Tích lũy sinh học trong sinh khối Loại bỏ phốt pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Hấp thụ trong sinh khối thông thường Biomass formula: C5H7O2NP0.1 2 to 3% P trong sinh khối (khối lượng khô) Loại bỏ phốt-pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học  Dùng muối kim loại Fe Al Ca Fe3+ + H2PO-4 FePO4 + 2H+ Fe3+ + HCO-3 Fe(OH)3+ 3CO2 Kết tủa Nguyên lý ~1.5-2.5 mol metal: mol P Loại bỏ Phốt-pho Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Tích lũy sinh học (Acinetobacter) * PHB=polyhydroxybutyrate Kỵ khí Hiếu khí (O2 hay NO3-) Loại bỏ phốt-pho (sinh học) Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học 1. Tích lũy polyphosphate C2H4O2+0.16NH+4+0.96NO-3+0.2PO3-4 0.16C5H7NO2+1.2CO2+0.2HPO3+1.4OH-+0.48N2+1.44H2O Poly-P Thiếu khí (Anoxic) Hiếu khí (Aerobic) C2H4O2+0.16NH+4+1.2O2+0.2PO3-4 0.16C5H7NO2+1.2CO2+0.2HPO3+0.4OH-+1.44H2O Poly-P 2C2H4O2+HPO3+H2O (C2H4O2)2+PO3-4+3H+ Poly-P Kỵ khí (Anaerobic) 2. Phân hủy polyphosphate Loại bỏ phốt-pho (sinh học) Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Kỵ khí Dự trữ PHB, poly-P bị thủy phân giải phóng P Hiếu khí PHB được sử dụng và Poly-P được tích lũy Dự trữ trong tế bào Ảnh hưởng của chuyển hóa P đến độ kiềm Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học C2H4O2+0.16NH+4+0.96NO-3+0.2PO3-4 0.16C5H7NO2+1.2CO2+0.2HPO3+1.4OH-+0.48N2+1.44H2O Poly-P Thiếu khí (Anoxic) Giảm độ kiềm ~ 3 eqv/mol P Hiếu khí (Aerobic) C2H4O2+0.16NH+4+1.2O2+0.2PO3-4 0.16C5H7NO2+1.2CO2+0.2HPO3+0.4OH-+1.44H2O Poly-P 2C2H4O2+HPO3+H2O (C2H4O2)2+PO3-4+3H+ Poly-P Kỵ khí (Anaerobic) Nhân tố ảnh hưởng đến loại bỏ phốt-pho (sinh học) Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học • Nhiệt độ • pH • DO • Thay đổi điều kiện hiếu khí/kỵ khí • Nitrate trong điều kiện kỵ khí Tương tự như quá trình phản nitrate và hoạt động của vi khuẩn dị dưỡng Nhân tố ảnh hưởng đến loại bỏ phốt-pho (sinh học) Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học Nitrate trong ĐK kỵ khí Tích lũy P của vi khuẩn thay đổiPhản nitrate xảy ra Khả năng loại bỏ P giảm (Chất hữu cơ giảm) Không tích lũy polyphosphate