Quá trình khử nitrat trong xử lý nước thải

Trong quá trình xử lý nước thải, việc khử bỏ nitrat được xem là một trong những việc làm quan trọng ảnh hưởng đến kết quả sau cùng. Vậy rốt cuộc quá trình khử nitrat là gì và nó được diễn ra như thế nào? Không để bạn phải chờ lâu hơn nữa, Môi Trường Envico sẽ đưa bạn đi tìm hiểu chi tiết ngay bây giờ.

TÓM TẮT

Quá trình khử nitrat là gì?

khu nitrat la gi envico 1

Hình 1 : Khử nitrat là quá trình khử bỏ Nitơ trong nước thải

Quá trình khử nitrat (Denitrification) là một phản ứng sinh hóa học, trong đó các vi sinh vật dị dưỡng chuyển hóa gốc nitrat ( $N O_{3 -}$ ) thành khí nitơ tự do ( $N_{2}$ ) trong điều kiện môi trường thiếu khí (anoxic).

Xem thêm : Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học

Tại sao cần tiến hành quá trình khử nitrat trong xử lý nước thải?

qua trinh khu nitrat trong xu ly nuoc thai 1

Hình 2 : Quá trình khử nên được tiến hành để giảm thiểu nồng độ ô nhiễm có trong nước thải sản xuất và sinh hoạt

Quá trình khử nitrat giúp đảm bảo tiêu chuẩn xả thải và loại bỏ Nitơ tổng như thế nào?

Quá trình khử nitrat đóng vai trò là chốt chặn sinh học cuối cùng chuyển hóa hoàn toàn các dạng nitơ hòa tan thành khí trơ $N_{2}$ thoát ra khí quyển, giúp loại bỏ triệt để nồng độ Nitơ tổng trong nước thải.
Hệ thống xử lý nước thải áp dụng quá trình này giúp chất lượng nước đầu ra đạt các quy chuẩn xả thải nghiêm ngặt hiện hành đối với chỉ tiêu nitrat và nitơ.

Vai trò của khử nitrat trong việc ngăn ngừa phú dưỡng và độc tính đối với thủy sinh

Việc loại bỏ dư thừa nitrat thông qua quá trình khử nitrat ngăn chặn trực tiếp hiện tượng phú dưỡng hóa làm suy kiệt oxy hòa tan trong các sông hồ tự nhiên.
Đồng thời, phản ứng này triệt tiêu nguy cơ ngộ độc cấp tính cho thủy sinh và các bệnh lý nguy hiểm như hội chứng methemoglobinemia (bệnh thiếu oxy trong máu ở trẻ sơ sinh) ở người do tiếp xúc với nguồn nước nhiễm nitrat.

Cận cảnh quá trình khử nitrat ít ai biết

Theo các chuyên gia môi trường cho biết quá trình khử bỏ nitrat sẽ được thực hiện thông qua 4 bước làm bài bản sau đây:

Bước 1: Các chủng vi khuẩn có trong nước thải sẽ tiến hành biến đổi NO3- trở thành NO2-.
Bước 2: Các phân tử NH3 sẽ được liên kết cùng với Axit Dicacboxylic.
Bước 3: Đến đây, NO3- sẽ được chuyển hóa thành NH4+.
Bước 4: NO3- được chuyển hóa thành N2.

Lưu ý:

NO2: Nitơ dioxit
NO3: Nitrat
NH3: Khí Amoniac
NH4: Muối Amoni

Cơ chế sinh hóa của quá trình khử nitrat diễn ra như thế nào?

Các chủng vi sinh vật dị dưỡng tham gia vào quá trình khử nitrat

Quá trình khử nitrat được thực hiện chủ yếu bởi các vi khuẩn dị dưỡng tùy nghi như Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus, Thiobacillus và Achromobacter.
Các vi sinh vật này tiêu thụ chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng và sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử thay thế cho oxy trong chuỗi hô hấp.

Chuỗi phản ứng khử bậc thang chuyển hóa NO3⁻ thành N₂ diễn ra ra sao?

Chuỗi phản ứng sinh hóa khử nitrat diễn ra theo từng bậc làm giảm hóa trị của nguyên tố nitơ từ mức +5 về 0, tuân theo cơ chế: $N O_{3 -}$ → $N O_{2 -}$ → $NO$ → $N_{2} O$ → $N_{2}$ .
Nếu chuỗi phản ứng enzyme này bị gián đoạn do ức chế môi trường, các khí trung gian độc hại như oxit nitric ( $NO$ ) hoặc khí nhà kính cực mạnh oxit nitơ ( $N_{2} O$ ) sẽ bị giải phóng vào khí quyển thay vì khí nitơ vô hại.

Những yếu tố nào ảnh hưởng đến kết quả của quá trình khử nitrat?

qua trinh khu nitrat envico 1

Hình 3 : Nồng độ oxy quyết định lớn đến việc quá trình có diễn ra hay không

Các yếu tố ảnh hưởng	Phân tích chi tiết
Ảnh hưởng của nồng độ Oxy hòa tan (DO) trong môi trường thiếu khí (Anoxic)	Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong bể thiếu khí bắt buộc phải được kiểm soát dưới 0,5 mg/L, lý tưởng nhất là vận hành ở ngưỡng từ 0,1 đến 0,2 mg/L. Khi nồng độ DO vượt mức này, vi sinh vật dị dưỡng sẽ ưu tiên sử dụng oxy tự do để tạo năng lượng ATP vì đạt hiệu suất cao hơn, làm ức chế hệ thống enzyme khử nitrat và khiến quá trình chuyển hóa này bị dừng lại.
Nguồn Carbon hữu cơ và tỷ lệ C/N (COD/N) đóng vai trò gì trong quá trình khử nitrat?	Carbon hữu cơ (như methanol, ethanol, axit axetic, mật rỉ đường hoặc lượng BOD sẵn có trong nước thải) là chất cho electron thiết yếu để vi khuẩn dị dưỡng duy trì phản ứng khử nitrat. Tỷ lệ COD/N tối ưu cần được duy trì trong khoảng 7,0 đến 10,0; nếu tỷ lệ này giảm xuống dưới mức 5,0, quá trình khử sẽ không diễn ra triệt để khiến lượng nitrat bị xả dư ra ngoài hệ thống.
pH và độ kiềm trong hệ thiếu khí thay đổi như thế nào trong quá trình khử nitrat và tác động đến hiệu suất ra sao?	Quá trình khử nitrat sinh ra độ kiềm dưới dạng các ion $O H^{-}$ , giúp trung hòa bù đắp lại lượng axit đã hình thành trong quá trình nitrat hóa trước đó và làm tăng nhẹ pH của hệ thống. Dải pH lý tưởng để duy trì tốc độ phản ứng sinh hóa của vi khuẩn khử nitrat ở mức tối đa dao động trong khoảng từ 7,0 đến 8,5.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu bùn (SRT) đến hiệu quả khử nitrat	Nhiệt độ tối ưu để vi khuẩn khử nitrat sinh trưởng và xúc tác phản ứng nằm trong khoảng 26 đến 38°C (hoặc 30 – 36°C), nếu nhiệt độ tụt xuống dưới 10°C, tốc độ phản ứng khử nitrat sẽ giảm tới 75%. Thời gian lưu bùn (SRT) tại vùng thiếu khí cần được thiết lập đủ dài kết hợp với việc duy trì tỷ lệ tuần hoàn bùn chứa nitrat từ 150% đến 300% nhằm đảm bảo mật độ sinh khối vi sinh đủ lớn để xử lý hết tải lượng nitơ.

Sự khác nhau giữa quá trình Nitrat hóa và Khử nitrat trong xử lý nước thải là gì?

Sự khác nhau giữa Nitrat hóa và Khử nitrat	Phân tích chi tiết
Khác biệt về nhóm vi sinh vật: tự dưỡng và dị dưỡng	Quá trình nitrat hóa thực hiện bởi hệ vi khuẩn hóa vô cơ tự dưỡng (như Nitrosomonas và Nitrobacter) sử dụng nguồn năng lượng thông qua việc tiêu thụ carbon vô cơ để tổng hợp tế bào. Ngược lại, quá trình khử nitrat vận hành nhờ nhóm vi sinh vật dị dưỡng, bắt buộc phải tiêu thụ carbon hữu cơ làm nguồn thức ăn chính và làm chất nhường điện tử.
Điều kiện môi trường hiếu khí và thiếu khí khác nhau như thế nào?	Nitrat hóa là phản ứng oxy hóa sinh học yêu cầu môi trường hiếu khí rất mạnh với nồng độ DO luôn phải duy trì ổn định trên 2,0 mg/L (tối ưu từ 3,0 mg/L). Trong khi đó, khử nitrat là phản ứng khử diễn ra trong môi trường thiếu khí (anoxic), bắt buộc hệ thống phải khống chế lượng DO nhỏ hơn mức 0,5 mg/L.
So sánh sự tiêu thụ và sản sinh độ kiềm trong hai quá trình	Phản ứng nitrat hóa sinh ra ion $H^{+}$ làm tiêu thụ mạnh độ kiềm, ước tính một hệ thống cần tốn khoảng 7,14 mg độ kiềm tính theo $C a C O_{3}$ để oxy hóa 1 mg amoniac. Chiều hướng này đảo ngược hoàn toàn trong quá trình khử nitrat khi phản ứng giải phóng ion $O H^{-}$ giúp tạo ra độ kiềm, góp phần ổn định lại pH cho tổng thể dây chuyền xử lý nước thải.

Quá trình khử nitrat được ứng dụng như thế nào trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh học?

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bể Anoxic

Bể Anoxic (bể sinh học thiếu khí) là một công trình xử lý sinh học chứa các máy khuấy trộn chìm hoạt động ở tốc độ thấp nhằm đảo đều bùn hoạt tính nhưng không làm khuếch tán oxy hòa tan từ không khí.
Tại bể này, vi sinh vật thiếu khí sử dụng ion nitrat làm chất nhận điện tử thay vì oxy phân tử để oxy hóa chất hữu cơ, chuyển hóa nitrat thành khí nitơ thoát ra ngoài theo nguyên lý sinh hóa.

Sơ đồ tiền khử nitrat (Pre-Anoxic) và hậu khử nitrat (Post-Anoxic) trong hệ thống xử lý nước thải

Sơ đồ tiền khử nitrat (Pre-Anoxic) bố trí bể thiếu khí trước bể hiếu khí nhằm tận dụng trực tiếp lượng carbon hữu cơ dồi dào trong nước thải thô, quá trình này đòi hỏi phải bơm tuần hoàn dòng nitrat từ cuối bể hiếu khí trở lại vùng thiếu khí.
Sơ đồ hậu khử nitrat (Post-Anoxic) đặt bể thiếu khí phía sau bể hiếu khí để tiếp nhận dòng tự chảy có chứa nitrat, tuy nhiên cấu hình này thường bắt buộc phải châm thêm hóa chất cung cấp carbon ngoại vi do tải lượng BOD đã bị triệt tiêu hoàn toàn ở giai đoạn trước.

Tích hợp quá trình khử nitrat trong các công nghệ AAO, SBR và MBR

Công nghệ AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic) tích hợp trực tiếp bể Anoxic làm vùng lõi để xử lý nitơ thông qua quá trình tuần hoàn hồi lưu bùn và nước, hình thành quy trình chuẩn loại bỏ đồng thời chất hữu cơ, nitơ và phốt pho.
Đối với bể sinh học hoạt động theo mẻ SBR, quá trình khử nitrat được thực thi thông qua việc thiết lập các pha khuấy trộn tắt sục khí trong chu kỳ phản ứng, còn đối với hệ thống MBR màng lọc sinh học, màng giúp giữ lại toàn bộ các vi khuẩn khử nitrat sinh trưởng chậm nhằm nâng cao vượt trội hiệu suất chuyển hóa tải lượng nitrat.

Những sự cố kỹ thuật nào thường gặp trong quá trình khử nitrat và cách kiểm soát?

Vì sao xảy ra hiện tượng bùn nổi trong bể lắng do khí Nitơ và cách xử lý là gì?

Sự cố bùn nổi cục bộ xảy ra khi bùn tuần hoàn lưu lại dưới đáy bể lắng quá lâu trong trạng thái cạn kiệt oxy, vô tình kích hoạt các vi sinh vật tiếp tục thực hiện khử nitrat tạo thành các bọt khí nitơ ( $N_{2}$ ) bám dính vào và nâng mảng bùn nổi lên mặt nước. Phương pháp xử lý dứt điểm là tăng gia tốc bơm tuần hoàn để giảm thời gian lưu của bùn trong bể lắng, đồng thời sục khí giải phóng bọt khí nhỏ (re-aeration) sau vùng Anoxic hoặc duy trì khoảng 0,5 mg/L DO ở đoạn cuối bể hiếu khí trước khi hỗn hợp chảy vào bể lắng.

Kiểm soát sự tích lũy Nitrit (NO2⁻) khi thiếu hụt nguồn Carbon

Khi tỷ lệ cung cấp carbon hữu cơ bị thiếu hụt, vi sinh vật thiếu khí không có đủ nguồn electron để hoàn tất chuỗi phản ứng khử nitrat bậc thang, dẫn tới phản ứng bị nghẽn ở bước trung gian làm tích lũy nồng độ nitrit ( $N O_{2 -}$ ) hoặc phát thải khí nhà kính $N_{2} O$ ra môi trường. Giải pháp kiểm soát chặt chẽ là ứng dụng hệ thống cảm biến đo nồng độ nitrat online kết hợp chiến lược điều khiển tự động (feed-forward) để châm chính xác và kịp thời các loại hóa chất carbon bổ trợ (methanol, axit axetic) trực tiếp vào bể Anoxic.

Kết luận

Bài viết này công ty môi trường Envico giúp bạn tìm hiểu chi tiết quá trình khử nitrat được diễn ra phổ biến trong tiến trình xử lý nước thải. Nếu bạn có vấn đề gì còn thắc mắc hoặc muốn được hỗ trợ quan trắc môi trường chuyên nghiệp, thì hãy liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ. Công ty xử lý nước thải Envico là đơn vị chuyên thiết kế thi công bảo trì cải tạo hệ thống xử lý nước thải, xử lý khí thải, tư vấn hồ sơ thủ tục pháp lý môi trường, huấn luyện an toàn hóa chất. Với hơn 12 năm kinh nghiệm, sẽ là lựa chọn hoàn hảo dành cho bạn.

CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ENVICO

Địa chỉ : Lầu 3, Indochina Tower, 4 Nguyễn Đình Chiểu, P. ĐaKao, Quận 1, Tp. HCM

Hotline: 0909 794 445 (Mr.Huy)

Điện thoại : (028) 66 797 205

E-mail : admin@envico.vn

Website : Congnghemoitruong.net

Fanpage : Công ty Công Nghệ Môi Trường – Envico

Tin tức, Tin tức chuyên nghành