Hotline: 
Email: 
Quá trình khử nitrat trong xử lý nước thải là giai đoạn vi sinh vật chuyển nitrat thành khí nitơ. Khí nitơ sau đó thoát ra khí quyển. Đây là bước xử lý nitơ then chốt trong toàn bộ hệ thống xử lý nước thải.
Tại bể thiếu khí, vi khuẩn dị dưỡng sử dụng nitrat (NO3-) thay oxy để hô hấp. Chúng cũng phân giải chất hữu cơ có sẵn trong dòng nước. Nhờ cơ chế này, nồng độ nitơ tổng ở đầu ra giảm rõ rệt. Nước thải sau xử lý đáp ứng quy chuẩn xả thải và ngăn hiện tượng phú dưỡng nguồn tiếp nhận.
Quá trình khử nitrat là gì?
Quá trình khử nitrat là quá trình sinh học chuyển hóa nitrat (NO3-) thành khí nitơ (N2). Vi khuẩn dị dưỡng thực hiện quá trình này trong điều kiện thiếu oxy hòa tan. Trong xử lý nước thải, đây là bước then chốt để loại bỏ nitơ khỏi dòng nước. Hệ thống thực hiện bước này trước khi xả nước ra môi trường.
Khí N2 sinh ra thoát khỏi nước dưới dạng bọt khí nhỏ. Khí này hòa vào khí quyển. Khí quyển vốn có gần 78% là nitơ tự do nên khí N2 không gây hại cho môi trường.
Trong nước thải, nitơ tồn tại ở bốn dạng chính. Đó là nitơ hữu cơ, nitơ amoni (NH4+), nitơ nitrit (NO2-) và nitơ nitrat (NO3-). Hai quá trình sinh học đảm nhiệm việc loại bỏ nitơ là nitrat hóa và khử nitrat.
Quá trình nitrat hóa diễn ra trước. Vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas oxy hóa amoni thành nitrit. Vi khuẩn Nitrobacter tiếp tục oxy hóa nitrit thành nitrat.
Công đoạn khử nitrat diễn ra ngay sau đó. Công đoạn này chuyển hóa nitrat thành khí nitơ. Nhờ vậy, hệ thống loại hoàn toàn nitơ khỏi dòng nước thải.
Hai công đoạn này bắt buộc phải phối hợp liên tục với nhau. Nếu chỉ có nitrat hóa mà thiếu bước xử lý tiếp theo, hệ thống chưa loại bỏ nitơ triệt để. Nitơ chỉ chuyển từ dạng độc, tức amoni, sang dạng nitrat.
Vì vậy, các hệ thống xử lý nước thải hiện nay đều thiết kế song song hai công đoạn này. Điều này áp dụng cho cả nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Các ngành cao su, thủy sản, chăn nuôi và khu đô thị đều có nước thải giàu nitơ.
Các ngành này cần áp dụng quy trình xử lý này ngay từ giai đoạn lập bản vẽ kỹ thuật. Kỹ sư môi trường luôn tính toán đầy đủ cả hai công đoạn.
Xem thêm: Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học
Cơ chế và điều kiện của quá trình khử nitrat
Cơ chế khử nitrat diễn ra qua một chuỗi phản ứng khử liên tiếp. Chuỗi phản ứng này đi theo thứ tự cố định. Đầu tiên, NO3- chuyển thành NO2-. Sau đó, NO2- chuyển thành NO, rồi thành N2O. Cuối cùng, N2O chuyển thành khí N2.
Một loại enzyme chuyên biệt bên trong tế bào vi khuẩn xúc tác cho mỗi bước chuyển hóa này. Toàn bộ chuỗi phản ứng chỉ khởi động khi lượng oxy hòa tan trong nước cạn kiệt. Lúc đó, vi khuẩn phải lấy oxy từ phân tử nitrat để duy trì hô hấp.
Bên cạnh chuỗi phản ứng sinh hóa, hiệu quả khử nitrat còn phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Đó là môi trường mà vi khuẩn sinh sống.
Bể thiếu khí cần loại trừ oxy hòa tan. Bể cũng phải cung cấp đủ nguồn thức ăn, tức carbon hữu cơ. Ngoài ra, bể cần duy trì nhiệt độ và pH ổn định cho hệ vi sinh vật.
Hai phần dưới đây trình bày cụ thể hơn. Phần đầu giới thiệu vi sinh vật đảm nhiệm công đoạn này. Phần sau nêu các yếu tố vận hành cần kiểm soát.
Vi sinh vật thực hiện quá trình khử nitrat
Vi sinh vật thực hiện quá trình khử nitrat chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng kỵ khí tùy nghi. Các chủng tiêu biểu gồm Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes và Bacillus. Một chủng khác là Micrococcus denitrificans, nay thường gọi là Paracoccus denitrificans.
Nhóm vi khuẩn này có đặc điểm chung là chuyển đổi linh hoạt giữa hai kiểu hô hấp. Chúng chuyển đổi giữa hô hấp hiếu khí và hô hấp thiếu khí. Sự chuyển đổi này tùy theo lượng oxy hòa tan trong môi trường.
Khi oxy hòa tan còn dồi dào, vi khuẩn dị dưỡng ưu tiên sử dụng oxy phân tử. Chúng phân giải chất hữu cơ, giống như hô hấp hiếu khí thông thường. Khi oxy cạn kiệt, chúng chuyển sang lấy oxy từ nitrat. Chất hữu cơ lúc này trở thành nguồn năng lượng và nguồn electron cho phản ứng.
Quá trình này tạo ra khí nitơ và khí CO2. Nó cũng sinh thêm độ kiềm cho hệ thống.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử nitrat
4 yếu tố chính quyết định hiệu quả khử nitrat là nồng độ oxy hòa tan, tỷ lệ carbon trên nitơ, độ pH và nhiệt độ. Bể thiếu khí cần kiểm soát tốt cả 4 yếu tố này. Đây là điều kiện bắt buộc để bể vận hành ổn định.
- Oxy hòa tan (DO): Nồng độ DO phải duy trì dưới 0,5 mg/L, tối ưu nhất là dưới 0,2 mg/L. Khi DO vượt ngưỡng này, vi khuẩn quay lại hô hấp hiếu khí. Quá trình khử nitrat dừng lại hoàn toàn.
- Tỷ lệ C/N: Tỷ lệ BOD5 trên nitơ dạng nitrat (NO3–N) cần đạt tối thiểu khoảng 4:1. Đây là mức tối thiểu theo tài liệu thiết kế phổ biến trong ngành. Khi nguồn carbon nội sinh không đủ, hệ thống cần bổ sung thêm nguồn carbon từ bên ngoài.
- Độ pH: Khoảng pH thích hợp dao động từ 7,0 đến 8,0, không nên giảm xuống dưới 6,5. Ngoài khoảng này, hoạt tính của enzyme khử nitrat giảm mạnh. Hiệu suất xử lý nitơ tổng cũng đi xuống theo.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu cho quá trình khử nitrat là khoảng 20–30°C. Khi nhiệt độ thấp hơn khoảng này, hoạt động của vi khuẩn khử nitrat chậm lại, làm giảm tốc độ phản ứng và hiệu suất loại bỏ nitrat. Tuy nhiên, hệ thống vẫn có thể tiếp tục khử nitrat, chỉ với hiệu quả thấp hơn.
Ứng dụng khử nitrat tại bể Anoxic
Bể Anoxic, hay bể thiếu khí, là nơi diễn ra chủ yếu quá trình khử nitrat. Nhiều công nghệ xử lý nước thải phổ biến sử dụng bể này, như AAO, MBBR, MBR và SBR.
Bể Anoxic thường đặt trước hoặc xen giữa các bể hiếu khí. Bể này dùng máy khuấy chìm tốc độ thấp thay cho máy thổi khí. Máy khuấy giữ nước luôn xáo trộn mà không bổ sung thêm oxy.
Hãy tưởng tượng bể Anoxic như một trạm trung chuyển. Hệ thống bơm nitrat từ bể hiếu khí tuần hoàn trở về đây. Tại đây, vi khuẩn dị dưỡng khử nitrat thành khí nitơ.
Kỹ sư gọi tỷ lệ này là tuần hoàn nội bộ, hay Internal Recirculation. Tỷ lệ này thường ở mức 200 – 400% lưu lượng đầu vào. Thời gian lưu nước trong bể phụ thuộc vào tải lượng nitơ cần xử lý. Kỹ sư tính toán thời gian này riêng cho từng hệ thống cụ thể.
Đôi khi, nguồn carbon nội sinh trong nước thải không đủ đáp ứng tỷ lệ C/N yêu cầu. Lúc này, đơn vị vận hành bổ sung thêm nguồn carbon ngoại sinh. Các nguồn phổ biến gồm methanol, ethanol, acetate hoặc mật rỉ đường.
Liều lượng methanol tham khảo thường ở mức khoảng 3 gam cho mỗi gam nitơ dạng nitrat (NO3–N) cần khử. Đơn vị vận hành sau đó điều chỉnh liều lượng này theo kết quả quan trắc thực tế.
Vị trí đặt bể Anoxic ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chi phí vận hành. Bảng so sánh dưới đây thể hiện rõ điều này:
Tiêu chí | Bể Anoxic đặt trước bể hiếu khí | Bể Anoxic đặt sau bể hiếu khí |
Nguồn carbon sử dụng | Tận dụng COD có sẵn trong nước thải đầu vào | Phải bổ sung thêm carbon ngoại sinh (methanol, mật rỉ đường) |
Tốc độ khử nitrat | Nhanh hơn nhờ carbon dễ phân hủy | Chậm hơn, cần thể tích bể lớn hơn |
Dòng tuần hoàn | Tuần hoàn nitrat từ bể hiếu khí về bể thiếu khí | Chỉ tuần hoàn bùn từ bể lắng về bể hiếu khí |
Mức độ phổ biến | Ứng dụng rộng rãi trong công nghệ AAO, MBBR | Áp dụng khi cần kiểm soát nitrat rất nghiêm ngặt |
Nhờ vận hành đúng thông số, bể Anoxic giảm mạnh nồng độ nitơ tổng đầu ra. Bể cũng hạn chế tình trạng phú dưỡng tại nguồn nước tiếp nhận. Nó ngăn tảo phát triển quá mức tại đó.
Vì vậy, kỹ sư môi trường luôn ưu tiên tính toán công đoạn xử lý nitơ này. Họ thực hiện điều đó ngay từ bước thiết kế hệ thống.
Câu hỏi thường gặp về quá trình khử nitrat trong xử lý nước thải
Dưới đây là một số câu hỏi thường gặp về chủ đề này. Chúng liên quan đến quá trình vận hành hệ thống xử lý nitơ. Các câu hỏi này giúp bạn hiểu rõ hơn vấn đề đang tìm hiểu.
Nitrat hóa và khử nitrat khác nhau ở điểm nào?
Nitrat hóa là quá trình hiếu khí, oxy hóa amoni thành nitrat nhờ vi khuẩn tự dưỡng. Khử nitrat là quá trình thiếu khí, chuyển nitrat thành khí nitơ nhờ vi khuẩn dị dưỡng. Hai quá trình vận hành nối tiếp nhau trong cùng một hệ thống xử lý nitơ.
Vì sao nồng độ nitrat cao trong nước thải lại đáng lo ngại?
Nồng độ nitrat cao thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng tại nguồn nước tiếp nhận. Hiện tượng này khiến tảo phát triển bùng phát. Tảo phát triển mạnh làm cạn kiệt oxy hòa tan, gây hại cho hệ sinh thái thủy sinh.
Bể Anoxic nên đặt trước hay sau bể hiếu khí?
Phần lớn hệ thống đặt bể Anoxic trước bể hiếu khí. Cách bố trí này tận dụng nguồn carbon sẵn có trong nước thải đầu vào. Nhờ vậy, hệ thống tiết kiệm chi phí bổ sung hóa chất và rút ngắn thời gian phản ứng.
Thiếu nguồn carbon ảnh hưởng thế nào đến quá trình khử nitrat?
Thiếu carbon khiến vi khuẩn dị dưỡng không đủ năng lượng để khử nitrat. Nồng độ nitrat đầu ra vì vậy tăng cao. Hệ thống không đạt quy chuẩn xả thải về chỉ tiêu nitơ tổng.
Làm sao nhận biết bể Anoxic đang hoạt động kém hiệu quả?
Ba dấu hiệu phổ biến cho thấy bể Anoxic đang hoạt động kém hiệu quả. Đó là nồng độ nitrat đầu ra tăng bất thường, bùn nổi kèm bọt khí tại bể lắng. Chỉ số nitơ tổng vượt quy chuẩn cũng là một dấu hiệu. Khi gặp các dấu hiệu này, bạn cần kiểm tra và điều chỉnh lại thông số vận hành.
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
