Chương 6 Các quá trình khử nitrogen bằng vi sinh vật

Cáùc quáù trình khửû nitrogen bằèng VI SINH VẬÄT TS. Lêâ Quốác Tuấán Khoa Môiâ trườøng vàø Tàøi nguyênâ Đạïi họïc Nôngâ Lâmâ TP. Hồà Chí Minh Chương 6 Hợp chất hữu cơ chứa nitrogen, protein, urea Amonia NH4+ Nitrogen hữu cơ trong tế bào vi khuẩn Tế bào chết chứa nitrogen hữu cơ xả theo bùn ra ngoài NO2- NO3- Khí N2 thoát ra Thuỷ phân và bị phân huỷ do vi khuẩn thành N H 4 + Phản nitrate hóa Cấp O2 Cấp O2 Tự oxi hoá và tự tan Hợp chất hữu cơ chứa carbon Q uá trình nitrate hoá Đồng hoá Quá trình đồng hoá S ơ đ o à m o â t a û q u a ù t r ì n h l o a ï i t h a û i n i t r o g e n t r o n g n ư ơ ù c t h a û i ™ Nitrate hóùa làø mộät quáù trình tựï dưỡngõ ™ Vi khuẩån nitrate hóùa thườøng sửû dụïng CO2 làøm cơ chấát đểå tổång chấát hữũ cơ cho tếá bàøo. ™ Nitrate hóùa amon làø mộät quáù trình gồàm 2 bướùc: nitrite hóùa vàø nitrate hóùa Bướùc 1: đượïc thựïc hiệän bởûi vi khuẩån nitrosomonas Bướùc 2: đượïc thựïc hiệän bởûi vi khuẩån nitrobacter Chuyểån hóùa amon bằèng quáù trình nitrate hóùa NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2H+ + H2O (1) NO2- + ½ O2 NO3- (2) ™ Năngê lượïng sinh ra trong quáù trình nitrate hóùa đượïc vi khuẩån sửû dụïng cho sựï pháùt triểån vàø duy trì tếá bàøo ™ Năngê lượïng thu đượïc dùøng cho tổång hợïp sinh khốái theo phương trình sau: ™ Toàøn bộä quáù trình oxi hóùa vàø tổång hợïp đượïc thểå hiệä qua phương trình sau: Chuyểån hóùa amon bằèng quáù trình nitrate hóùa 4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5O2 NH4++1.83O2+1.98HCO3- 0.021C5H7O2N+0.98NO3-+1.041H2O + 1.88H2CO3 ™Các quá trình nitrate hóa có thể được phân loại theo mức độ khác biệt của sự oxi hóa carbon liên quan đến nitrate hóa. ™Sự oxi hóa carbon và nitrate hóa có thể xảy ra trong một phản ứng đơn (Sơ đồ phối hợp). ™Trong quá trình nitrate hóa tách biệt, sự oxi hóa carbon và nitrate hóa xảy ra ở các phản ứng khác nhau (Sơ đồ tách biệt). Phânâ loạïi cáùc quáù trình nitrate hóùa Sơ đồ tách biệt Sơ đồ phối hợp Quá trình oxi hóa carbon và nitrate hóa tăng cường chất lơ lững Quá trình bùn hoạt tính chuẩn (không loại nitrogen) Quá trình nitrate/phản nitrate (loại nitrogen) So s a ù n h 2 q u a ù t r ì n h k h ư û n i t r o g e n Phương pháp tuần hoàn bùn hoạt tính Phương pháp sử dụng vật liệu dính bám khử nitrogen ™ Sinh vậät nitrate hóùa hiệän diệän trong hầàu hếát cáùc quáù trình xửû lýù sinh họïc nhưng sốá lượïng giớùi hạïn. ™ Quáù trình nitrate hóùa liênâ quan đểå tỉ lệä BOD5/TKN (nitrogen tổång) ™ Tỉ sốá vi sinh vậät nitrate hóùa liênâ quan đếán tỉ sốá BOD/N Phânâ loạïi cáùc quáù trình nitrate hóùa Tỷ số BOD5/TKN Tỷ số sinh vật nitrate hóa Tỷ số BOD5/TKN Tỷ số sinh vật nitrate hóa 0.5 0.35 5 0.054 1 0.21 6 0.043 2 0.12 7 0.037 3 0.083 8 0.033 4 0.064 9 0.029 Quá trình nitrate hóa tách biệt Quá trình nitrate hóa phối hợp ™ Quá trình nitrate hóa được thực hiện ở nhiều công trình xử lý 9Chảy truyền thống 9Trộn hoàn chỉnh 9 Sục khí tăng cường 9Mương oxi hóa ™ Để quá trình nitrate hóa diễn ra hoàn chỉnh thì phải đảm bảo đủ các điều kiện cho vi sinh vật nitrate hóa phát triển ™ Tăng cường lơ lững và tăng cường dính bám đều được áp dụng để thực hiện nitrate hóa Sự oxy hóa carbon và nitrate hóa ở giai đoạn đơn (sơ đồ phối hợp) ™ Tăng cường lơ lững, các yếu tố ảnh hưởng đến nitrate hóa gồm: nồng độ ammonia và nitrite, tỉ số BOD5/TKN, nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ và pH ™ Các yếu tố đồng ảnh hưởng lên nitrate hóa bao gồm: kích cỡ của môi trường và độ sâu của bể Quá trình tăng cường lơ lững ẢÛnh hưởûng củûa cáùc thôngâ sốá môiâ trườøng lênâ quáù trình nitrate hóùa Thông số môi trường Mô tả ảnh hưởng Nồng độ NH4+ và NO2- Nồng độ NH4+ và NO2- ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng riêng cực đại của nitrosomonas và Nitrobacter. Tốc độ tăng trưởng của nitrobacter lớn hơn rất nhiều so với nitrosomonas. Và tốc độ tăng trưởng chung của chúng trong quá trình là: μ : tốc độ tăng trưởng riêng (1/s) μm : tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) S : nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm tăng trưởng bị hạn chế Ks : hằng số bán tốc độ Lấy μm = 0.45 ngày -1 ở 150C Tỷ số BOD/TKN Số phần trăm của các hợp chất hữu cơ bị nitrate hóa trong quá trình khử BOD chịu ảnh hưởng của tỷ số BOD/TKN. Biểu thị bằng: FN=[0.16(NH3 bị khử)]/[0.6(BOD5 bị khử + 0.16 (NH3 bị khử)] Nồng độ oxy hòa tan Mức độ DO ảnh hưởng đến tốc độ phát triển đặc biệt μm của các sinh vật nitrate hóa. Aûnh hưởng đó có thể được mô hình hóa với mối tương quan sau: Dựa vào các thông tin giới hạn có thể lấy Ko2=1.3mg/l Nhiệt độ (0C) Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nitrate hóa pH Tốc độ cực đại của nitrate hóa xảy ra trong khoảng pH từ 7.2 đến 9.0. Đối với hệ thống nitrate hóa oxy hóa carbon ảnh hưởng của pH có thể được tính theo công thức NK N s m += μμ DOK DO O mm += 2 ' μμ )15(098.0 −= Tmeμμ )]2.7(833.01[ pHm −−= μμ Các ứng dụng về động học của của quá trình nitrate hóa 1. Lựa chọn một nhân tố an toàn để duy trì hoạt độ đỉnh, suốt ngày và thời gian tải hoạt ngắn. 2. Lựa chọn nồng độ oxy hòa tan thấp nhất. DO thấp nhất ở mức 2.0 mg/l là thích hợp để tránh việc giảm hiệu quả của DO lên tốc độ nitrate hóa. 3. Xác định pH trong quá trình vận hành. pH biến động từ 7.0-9.0 là thích hợp. Mỗi một mg/l NH4-N bị oxy hóa có thể gây nên sự phân hủy 7.14 mg/l kiềm (biểu hiện qua CaCO3). 4. Đánh giá tốc độ phát triển cực đại của các vi khuẩn nitrate hóa không ảnh hưởng đến sự thay đổi của nhiệt độ, DO và pH. Các ứng dụng về động học của của quá trình nitrate hóa 5. Xác định thời gian tồn tại ít nhất của tế bào dựa vào tốc độ phát triển được xác định trong bước (4). 6. Xác định thời gian tồn tại của tế bào theo dự kiến bằng cách sử dụng nhân tố an toàn được xác định ở bước (1). 7. Xác định nồng độ nitrogen của nước thải. 8. Xác định thời gian giử nước để đạt đến nồng độ nitrogen cần thiết của nước thải. 9. Xác định tốc độ sử dụng chất hữu tại nơi mà quá trình nitrate hóa - oxy hóa giai đoạn đơn được sử dụng. ™Tăng cường dính bám bao gồm lọc nhỏ giọt và và bể tiếp xúc sinh học ™Tải lượng là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của quá trình xử lý ™Để đạt được hiệu quả nitrate hóa cao, tải hoạt chất hữu cơ được duy trì trong khoảng biến động trong khoảng 0.8-2m3/m2.phút. ™Vật liệu dính bám thường là plastic (tạo diện dính bám lớn cho vi sinh vật) thường cho tải hoạt BOD cao đồng thời khử nitrate mạnh. ™Nếu BOD thấp (<15mg/L) thì ảnh hưởng rất lớn đến nitrate hóa Quá trình tăng cường dính bám ™ Quá trình oxi hóa carbon và nitrate hóa được thực hiện bởi 2 công trình tách biệt ™ Độc tính của quá trình oxi hóa carbon được loại bỏ và không ảnh hưởng đến nitrate hóa ™Mức độ loại bỏ carbon trong quá trình oxi hóa carbon được áp dụng để thực hiện nitrate hóa ™ Tăng cường lơ lững và dính bám đều có thể được áp dụng cho nitrate hóa giai đoạn kép Nitrate hóa giai đoạn kép (sơ đồ tách biệt) ™ Được thiết kế giống quá trình bùn hoạt tính ™ Tốc độ nitrate hóa được theo dõi trong quá trình vận hành, tốc độ này phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng tốc độ nitrate hóa tăng. ™ Giá trị BOD5/TKN quan trọng trong quá trình nitrate hóa, với tốc độ nitrate hóa tăng khi tỷ số này tăng. ™ pH cũngõ ảûnh hưởûng trong quáù trình nàøy Tăng cường lơ lững ™ Lọc nhỏ giọt và bể tiếp xúc sinh học được áp dụng và sự thông khí (cấp oxy) có ảnh hưởng quyết định đến quá trình này ™ Bể tiếp xúc sinh học được thiết kế dựa vào nồng độ amon là chính ™ Ứng dụng hợp oxi hóa carbon và nitrate hóa như là một tiếp cận đòi hỏi diện tích bề mặt trong phản ứng nitrate hóa. Tăng cường dính bám Môâ hình tăngê cườøng dính báùm Môâ hình tăngê cườøng lơ lững ™ Quá trình này được xem là tốt nhất trong loại bỏ nitrogen, bởi vì: (1) Hiệu suất loại bỏ cao, (2) Tính ổn định và độ chính xác của quá trình cao, (3) Dễ điều khiển, (4) Diện tích đất yêu cầu thấp, và giá thành hợp lý. ™ Việc loại bỏ nitrogen bằng quá trình nitrate hóa/phản nitrate hóa sinh học là một quá trình gồm hai bước Bước (1): ammonia được chuyển hóa hiếu khí thành nitrate (nitrate hóa) Bước (2): nitrate được chuyển hóa thành khí nitrogen (phản nitrate hóa). Loạïi bỏû nitrogen bằèng nitrate hóùa/phảûn nitrate hóùa Môâ tảû quáù trình ™ Thựïc hiệän phảûn ứùng khửû nitrate thàønh khí nitơ. ™ Nướùc thảûi đượïc nitrate hóùa phảûi chứùa đủû hàøm lượïng carbon (carbon hữũ cơ) đểå cung cấáp nguồàn năngê lượïng cho việäc chuyểån hóùa nitrate thàønh khí nitrogen bởûi vi khuẩån. ™ Nhu cầàu carbon cóù thểå đượïc cung cấáp từø cáùc nguồàn bênâ trong như nướùc thảûi vàø nguyênâ liệäu tếá bàøo hoặëc từø bênâ ngoàøi (ví dụï như methanol). NO3 NO2 NO Amôn hoá nitrate N2O N2 Phản nitrate hoá NH2OH NH3 )1(09.1 )20(01 DOUU T −×= − Tốc độ nitrate hóa có thể được mô tả bởi công thức sau: U1: tốc độ nitrate hóa tổng số U0: tốc độ nitrate hóa xác định. kg NO3--N/kg chất rắn.d T: nhiệt độ nước thải. 0C. DO: oxy hòa tan trong nước thải. mg/l. Giá trị DO trong công thức trên cho thấy tốc độ nitrogen giảm đến tiệm cận không khi nồng độ oxy hòa tan tiến đến 1 mg/l. Sựï phụï thuộäc tốác độä nitrate hóùa vàø nguồàn carbon Nguồn carbon Tốc độ nitrate hóa, U0, kg NO3--N/kg chất rắn.ngày Nhiệt độ, 0C Methanol 0.21 - 0.32 25 Methanol 0.12 - 0.90 20 Nước thải 0.03 - 0.11 15 - 27 Trao đổi chất nội sinh 0.017 - 0.048 12 - 20 Phânâ loạïi quáù trình nitrate/phảûn nitrate ™ Cáùc quáù trình phảûn nitrate hóùa đượïc định nghĩa như làø quáù trình tăngê cườøng lơ lửûng thiếáu khí vàø tăngê cườøng dính báùm thiếáu khí ™ Quáù trình nitrate hóùa đượïc thựïc hiệän 1. Trong cáùc hệä thốáng nitrate hóùa/phảûn nitrate hóùa oxy hóùa carbon kếát hợïp sửû dụïng nguồàn carbon nộäi tạïi vàø bênâ ngoàøi 2. Trong cáùc phảûn ứùng kéùp sửû dụïng methanol hoặëc mộät nguồàn carbon hữũ cơ hợïp lýù bênâ ngoàøi nàøo đóù. Hệä thốáng nitrate hóùa/phảûn nitrate hóùa kếát hợïp ™ Hệä thốáng nàøy tậän dụïng đượïc nguồàn carbon trong nướùc thảûi ™ Lợïi điểåm củûa hệä thốáng 1. Giảûm thểå tích khí cung cấáp cho nitrate hóùa vàø khửû BOD5 2. Bỏû đi việäc cung cấáp nguồàn carbon hữũ cơ phụï trộäi (ví dụï như methanol) cho quáù trình nitrate hóùa 3. Loạïi trừø đượïc hệä thốáng làøm sạïch trung gian vàø hoàøn lưu bùøn trong hệä thốáng nitrate hóùa/phảûn nitrate hóùa mộät giai đoạïn. ™ Hầàu hếát cáùc hệä thốáng đềàu cóù thểå loạïi bỏû đượïc từø 60 đếán 80% tổång nitrogen; loạïi bỏû từø 85 đếán 95% BOD. NƯỚC THẢI NƯỚC SẠCH BÙN THẢI VÙNG KỴ KHÍ VÙNG THIẾU KHÍ VÙNG HIẾU KHÍ HOÀN LƯU BÙN (30 – 50% Q) HOÀN BÙN VI SINH VẬT (100 – 300% Q) Quáù trình 4 giai đoạïn ™ Cáùc vùøng phảûn ứùng kéùp đượïc sửû dụïng cho nitrate hóùa oxy hóùa carbon vàø phảûn nitrate hóùa thiếáu khí ™ Carbon hiệän diệän trong nướùc thảûi đượïc sửû dụïng đểå phảûn nitrate hóùa, nitrate đượïc quay vòøng lạïi. ™ Nhữngõ sựï biếán đổåi củûa hệä thốáng cóù thểå dùøng cho quáù trình loạïi bỏû nitrogen vàø phosphorus kếát hợïp. Công trình xử lý kết hợp khử BOD, NH4+, NO3- Bể aerotank hỗn hợp Vùng thiếu khí Vùng hiếu khí Bơm tuần hoàn bùn Bể lắng Tuần hoàn bùn Hệ thống trộn Bể phản ứng Châm bùnNước thải Nước sạch Máy sục khí Mương oxi hóùa ™ Mương oxi hóùa đượïc sửû dụïng đểå tiếán hàønh nitrate hóùa vàø phảûn nitrate hóùa ™ Dịch trộän chảûy vòøng theo kênhâ , đượïc dẫnã đi vàø sụïc khí bởûi cáùc thiếát bị sụïc khí . ™ Mộät ít nguồàn carbon củûa nướùc thảûi (từø vùøng hiếáu khí) đượïc sửû dụïng cho phảûn nitrate hóùa. ™ Nướùc thảûi từø bểå phảûn ứùng đượïc lấáy từø đầàu cuốái củûa vùøng hiếáu khí sửû dụïng cho việäc làøm sạïch. ™ Bởûi vì hệä thốáng chỉ cóù 1 vùøng thiếáu khí, việäc loạïi bỏû nitrogen thấáp hơn so vớùi quáù trình bốán giai đoạïn. Công trình xử lý kết hợp khử BOD, NH4+, NO3- Mương oxi hóa Nước thải Mương oxi hóa Bùn thải Guồng quay Hoàn lưu bùn hoạt tính Nước sạch Bể lắng Đập chắn ỨÙng dụïng trong thựïc tếá Sửû dụïng methanol cho nitrate vàø phảûn nitrate ™ Phương trình phảûn ứùng vớùi methanol ™ Trong thựïc nghiệäm, 25 đếán 30% lượïng methanol yêu câ ààu cấáp năng lê ượïng cho việäc tổång hợïp. ™ Loạïi nitrate hòøa toàøn theo phương trình Phản ứng năng lượng, bước 1: 6NO3- + 2CH3OH 6NO2- + 2CO2 + 4H2O Phản ứng năng lượng, bước 2: 6NO3- + 2CH3OH 3N2 + 3CO2 + 3H2O + 6OH- Phản ứng năng lượng toàn phần: 6NO3- + 5CH3OH 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH- Một phản ứng tổng hợp được đưa ra bởi McCarry như sau: 3NO3- + 14CH3OH + CO2 + 3H+ 3C5H7O2N + H2O NO3- + 1.08CH3OH + H+ 0.065C5H7O5N + 0.47N2 + 0.76CO2 + 2.44H2O Tháùp sinh họïc O Á n g đ ư a n ư ơ ù c v a ø o nước Trụïc quay tiếáp xúùc sinh họïc Phảûn ứùng qua lớùp dịch lỏûng Dịch lỏng Đĩa phân phối Nước thải vào Hoàn lưu bùn Nước đã xử lý Khí sinh học Tăngê cườøng lơ lữngõ Tăngê cườøng dính báùm Phảûn ứùng trụïc sâuâ Bểå sinh họïc màøng vi lọïc Màøng vi lọïc chìm trong nướùc MBR làø mộät côngâ trình đơn vị trong cụïm côngâ trình xửû lýù nướùc thảûi TIỀN XỬ LÝ XỬ LÝ SƠ CẤP XỬ LÝ MÀNG SẢN PHẨM