Xử lý nitơ trong nước thải tại các khu đông dân cư, các thành phố lớn, khu công nghiệp, … là điều vô cùng cần thiết. Dưới tác động xấu của hàm lượng nito ngày một cao thì tình trạng ô nhiễm môi trường nước sẽ diễn biến mạnh mẽ hơn. Vì vậy trong quá trìnhxử lý nước thải chúng ta cần chú trọng tới nguyên tố ni tơ này.
1- Xử lý nito trong nước thải với các trạng thái khác nhau.
Các hợp chất của nitơ trong nước thải thường tồn tại dưới 3 dạng như sau: hợp chất hữu cơ, amoni và hợp chất dạng oxy hoá (là nitrit và nitrat). Còn nitơ trong nước thải sinh hoạt lại tồn tại dưới dạng vô cơ (chiếm 65%) và hữu cơ (chiếm 35%). Trong đó, nguồn nitơ chủ yếu là bắt nguồn từ nước tiểu.
a. Xử lý nito trong nước thải khi chúng làm ô nhiễm môi trường
Hàm lượng nitơ trong nước thải khá cao, khi chúng chảy vào sông, vào hồ sẽ làm tăng hàm lượng dinh dưỡng. Do vậy sẽ thúc đẩy phát triển mạnh mẽ của nhiều loại thực vật phù du, như tảo, rêu, gây tình trạng bị thiếu oxy trong nước, chúng có thể phá vỡ chuỗi thức ăn, làm giảm chất lượng nước, phá hủy môi trường trong sạch của nhiều loại thủy vực, sản sinh vô số chất độc hại trong nước như H2S, CO2, NH4+, CH4… , đồng thời cũng tiêu diệt nhiều loại sinh vật có lợi trong nước. Người ta thường gọi hiện tượng này là phú dưỡng nguồn nước.
Ngày nay, hiện tượng phú dưỡng thường gặp tại hồ đô thị, các con sông và kênh có nước thải chảy qua. Đặc biệt là khu vực Hà Nội, sông Tô Lịch, nước đều có màu xanh đen hoặc màu đen, mùi hôi thối bốc lên do thoát khí H2S. Do vậy, xử lý nitơ trong nước thải sẽ làm giảm tác động tiêu cực tới các hoạt động sống của những người dân cư đô thị, giữ vững hệ sinh thái của nước hồ, đảm bảo không khí trong lành cho môi trường sống.
b. Xử lý nito hỗ trợ cho quá trình xử lý nước
Sự tồn tại của Nitơ trong nước có thể gây cản trở quá trình xử lý nước thải, gây giảm hiệu quả làm việc của nhiều công trình. Bên cạnh đó, nó có thể kết hợp với hoá chất để tạo nên các phức hữu cơ gây độc hại cho sức khỏe con người. Với đặc tính bất lợi như vậy, việc xử lý nitơ trong nước thải hiện nay đang là vấn đề đáng quan tâm và cần được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi.
2- Xử lý nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
Về việc xử lý nước thải với phương pháp sinh học hiếu khí, nitơ sẽ chuyển thành nitrit, nitrat nhờ vào vi khuẩn Nitrosomonas & Nitrobacter. Khi ở môi trường thiếu oxi, các vi khuẩn khử nitrat Denitrificans sẽ tách oxi của nitrat (NO3-) cùng với nitrit (NO2-) để oxi hoá các chất hữu cơ. Lúc này, Nitơ phân tử N2 được tạo ra trong quá trình này cũng sẽ thoát ra khỏi nguồn nước.
Qúa trình chuyển hóa khi xử lý nitơ trong nước thải với quá trình chuyển hóa sinh học như sau:
NO3- –> NO2- –>NO –> N2O –> N2
a. Qúa trình Nitrat hóa
Đây là quá trình tự dưỡng. Nguồn năng lượng đối với sự phát triển của vi khuẩn lấy từ các hợp chất oxi hoá của Nitơ, đa phần là Amoni. Trái ngược với vi sinh vật dị dưỡng, loại vi khuẩn nitrat hoá thườn sử dụng CO2 ( ở dạng vô cơ) hơn là nguồn các bon hữu cơ khi tổng hợp nguồn sinh khối mới.
TrongF quá trình xử lý nito trong nước thải sự chuyển hóa Nitrat từ Nitơ Amôni sẽ được chia làm hai giai đoạn và có liên quan tới 2 loại vi sinh vật, đó chính là vi khuẩn Nitơsomonas, vi khuẩn Nitơbacteria. Trong giai đoạn đầu tiên thì amôni sẽ được chuyển thành nitrit, tại bước thứ hai thì nitrit chuyển thành nitrat.
Giai đoạn 1: NH4- + 1,5 O2 –> NO2- + 2H+ + H2O
Giai đoạn 2: NO-2 + 0,5 O2 –> NO3-
Vi khuẩn Nitơsomonas cùng với Vi khuẩn Nitơbacteria đã sử dụng nguồn năng lượng từ 2 phản ứng trên tự duy trì hoạt động sống đồng thời tổng hợp sinh khối. Quá trình tổng hợp diễn ra như sau : NH4- + 2 O2 –> NO3- + 2H+ + H2O
Song song với quá trình thu năng lượng, các iôn Amôni được đồng hoá và vận chuyển vào trong mô tế bào. Sự tổng hợp sinh khối được biểu diễn bằng phản ứng: 4 CO2 + HCO3- + NH+4 + H2O –> C5H7O2N + 5O2
Trong đó, C5H7O2N được tạo thành để tổng hợp nên sinh khối mới đối với các tế bào vi khuẩn.
Tiếp đó, toàn bộ quá trình oxi hoá và phản ứng tổng hợp diễn ra như sau :
NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3- –> 0,021 C5H7O2N + 0,98 NO3- + 1,041 H2O + 1,88 H2CO3
Lượng khí oxi cần thiết để có thể oxi hoá amôni thành nitrat sẽ cần đến 4,3 mg O2/1mg NH4+ khi xử lý nitơ trong nước thải. Giá trị này xấp xỉ giá trị 4,57 thường dùng trong công thức tính toán thiết kế.
b. Qúa trình khử nitrit và nitrat
Với môi trường thiếu oxi, nhiều loại vi khuẩn để khử nitrit và nitrat denitrificans ( ở dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tiến hành tách oxi của nitrat (NO3-) cũng như nitrit (NO2-) để có thể oxi hoá các chất hữu cơ. Nitơ phân tử khi tạo thành ở quá trình này cũng sẽ thoát ra khỏi nước.
Khử nitrat như sau:
NO3- + 1,08CH3OH + H+ –> 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 + 0,76 CO2 + 2,44 H2O
Khử nitrit:
NO2- +0,67 CH3OH + H + –> 0,04 C5H7O2N + 0,48 N2 + 0,47 CO2 + 1,7 H2O
Tóm lại, để có thể xử lý nitơ trong nước thải, cần thiết kế công trình gồm có :
Ở điều kiện yếm khí ( thiếu oxi tự do )
nitrat (NO3- ) / nitrit (NO2-)
Vi khuẩn kị khí dễ dàng khử nitrat;
Nguồn cacbon hữu cơ
Nước thải có nhiệt độ không thấp.
Cần áp dụng đúng cách, đúng quy trình để việc xử lý nitơ trong nước thải đạt hiệu quả cao nhất.