Quá trình nitrat hóa là gì? Quá trình nitrat hóa xử lý nước thải

Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh học của amoniac thành nitrit, sau đó là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat. Việc biến đổi amoniac thành nitrit thường là bước giới hạn tốc độ của quá trình.

Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong chu trình hiếu khí nước thải, và được thực hiện bởi các nhóm nhỏ vi khuẩn tự dưỡng và vi khuẩn cổ. Quá trình này được phát hiện bởi nhà vi trùng học người Nga Sergei Winogradsky.

Khái niệm về quá trình nitrat hóa là gì?

Quá trình nitrat hóa là một quá trình sinh học trong xử lý nước thải, trong đó amoniac được oxy hóa thành nitrit. Sau đó nitrit được oxy hóa thành nitrat. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong chu trình nitơ, giúp loại bỏ các hợp chất nitơ khỏi nước thải.

Hiểu rõ quá trình nitrat này sẽ giúp các kỹ sư tính toán, thiết kế, thi công và vận hành hệ thống xử lý nước thải hiệu quả hơn. Đồng thời tránh được các rủi ro không đáng có.

Quá trình được thực hiện bởi hai loại vi khuẩn, đó là Nitrosomonas và Nitrobacter. Nitrat hóa là một quá trình tự dưỡng. Trong đó vi khuẩn sử dụng năng lượng từ các hợp chất oxy hóa của nitơ. Chủ yếu là amoniac, để phát triển sinh khối.

Vi khuẩn nitrat hóa sử dụng CO2 (dạng vô cơ) để tổng hợp sinh khối mới. Khác với các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng các nguồn cacbon hữu cơ. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hóa tạo thành trên một đơn vị của quá trình trao đổi chất nhỏ hơn nhiều lần so với sinh khối tạo thành của quá trình dị dưỡng.

Quá trình nitrat hóa từ amoniac thành nitrat được chia thành hai bước và liên quan đến hai loại vi khuẩn, Nitrosomonas và Nitrobacter. Ở giai đoạn đầu tiên, amoniac được chuyển thành nitrit. Và ở bước thứ hai, nitrit được chuyển thành nitrat.

Cơ chế của quá trình nitrat hóa là gì?

Trong quá trình bao gồm hai bước chính được thực hiện bởi hai loại vi khuẩn khác nhau.

• Bước đầu tiên được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrosomonas, trong đó ammonia (NH3, NH4+) được biến đổi thành nitrit (NO2):

• NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2H+ + H2O

• Bước thứ hai được thực hiện bởi vi khuẩn Nitrobacter, trong đó nitrit được chuyển hóa thành nitrat, kết thúc quá trình:

• NO2- + 0,5 O2 → NO3-

Vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lượng thu được từ các phản ứng trên. Để duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối. Quá trình này có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:

• NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O

Các ion amoniac được đồng hoá và vận chuyển vào trong các tế bào. Trong khi sinh khối mới của vi khuẩn được tổng hợp từ các hợp chất vô cơ như CO2 và các chất hữu cơ như HCO3- và NH+4. Theo phương trình sau:

• 4CO2 + HCO3- + NH+4 + H2O → C5H7O2N + 5O2

Sinh khối mới này được sử dụng để tổng hợp cho tế bào vi khuẩn.

Quá trình nitrat hóa và khử nitrat là quá trình quan trọng trong việc xử lý nước thải. Toàn bộ quá trình oxy hóa và phản ứng tổng hợp được thể hiện qua phản ứng sau:

• NH4+ + 1.83O2 + 1.98HCO3- → 0.021C5H7O2N + 0.98NO3- + 1.041H2O + 1.88H2CO3

Các phản ứng diễn ra quá trình khử nitrat

Sau đó, quá trình sẽ chuyển sang giai đoạn khử nitrat và nitrit. Tại đây, các phân tử oxy của nitrat và nitrit được tách ra để oxy hóa chất hữu cơ> Đồng thời giải phóng khí N2 ra ngoài môi trường. Quá trình khử nitrat và nitrit có thể được biểu diễn qua các phản ứng sau:

– Khử nitrat:

• NO3- + 1.08CH3OH + H+ → 0.065C5H7O2N + 0.47N2 + 0.76CO2 + 2.44H2O

– Khử nitrit:

• NO2- + 0.67CH3OH + H+ → 0.04C5H7O2N + 0.48N2 + 0.47CO2 + 1.7H2O

Quá trình khử nitrat và nitrit giúp giảm hàm lượng nitơ và amoniac nồng độ cao trong nước thải. Đáp ứng tiêu chuẩn nước thải đầu ra. Và giảm thiểu tác hại đến môi trường sống, sinh vật trong nước cũng như ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Quá trình khử nitrat và nitrit cũng giúp tạo ra khí N2. Một khí không gây ảnh hưởng đến môi trường, và đưa khí này trở lại khí quyển.

Vi sinh vật và điều kiện môi trường

Quá trình oxy hóa amoniac

Quá trình oxy hóa amoniac thành nitrit được thực hiện bởi hai nhóm sinh vật: vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) và vi khuẩn cổ bị amoniac oxy hóa (AOA).

Vi khuẩn oxy hóa amoniac AOB được tìm thấy trong các loại proteobacteria và gammaproteobacteria, trong đó Nitrosomonas và Nitrosococcus là hai chi AOB phổ biến nhất trong đất.

Vi khuẩn cổ bị amoniac oxy hóa AOA cũng tham gia vào quá trình này. Hiện tại đã phân lập được hai loài AOA là Nitrosopumilus maritimus và Nitrososphaera viennensis.

Quá trình oxy hóa amoniac thành nitrit được thực hiện bởi cả AOB và AOA, tuy nhiên AOA thường chiếm ưu thế hơn trong cả đất và nước.

Quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat

Được thực hiện bởi các vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter và Nitrospira. Tất cả đều tạo ra năng lượng tổng hợp ATP và sử dụng carbon dioxide làm nguồn phát triển.

Các sinh vật nitrat hóa là Chemoautotrophs. Có khả năng sử dụng carbon dioxide làm nguồn carbon và oxy hóa nitrit thành nitrat. Một số AOB sở hữu enzyme urease, giúp chuyển đổi phân tử ure thành amoniac và carbon dioxide.

Ngoài ra, Nitrosomonas europaea và các quần thể AOB khác sống trong đất. Có khả năng đồng hóa carbon dioxide bằng cách oxy hóa amoniac thành nitrit thông qua chu trình Calvin. Khả năng này giải thích sự tăng trưởng của AOB trong môi trường axit khi có ure xuất hiện.

Trong hầu hết các môi trường, quá trình nitrat hóa sẽ hoàn thành cả 2 bước để tạo ra nitrat. Tuy nhiên, trong hệ thống Sharon, quá trình chỉ tạo ra nitrite.

Quá trình nitrat hóa xử lý nước thải

Quá trình Nitrat hóa là quá trình chuyển đổi ammoniac thành nitrat được tiến hành bởi các vi khuẩn sống trong đất và các loại vi khuẩn nitrat hóa khác. Các vi khuẩn nitrat hóa bao gồm các chủng chuyển dưỡng (như Bacillus, Pseudomonas…) và các chủng tự dưỡng (như Nitrosomonas, Nitrobacter). Do đó, quá trình này có thể được phân chia thành hai loại: Nitrat hóa tự dưỡng và Nitrat hóa chuyển dưỡng.

Quá trình nitrat hóa tự dưỡng

Đây là quá trình chuyển đổi ammoniac (NH4+) thành nitrat (NO3-), được tiến hành bởi các chủng vi khuẩn tự dưỡng như Nitrosomonas và Nitrobacter. Trong giai đoạn nitrat hóa đầu tiên, các chủng Nitrosomonas thực hiện quá trình oxy hóa ammoniac thành nitrit (NO2-). Sau đó, Nitrobacter oxy hóa nitrit thành nitrat. Việc biến đổi nitrit thành nitrat là một quá trình quan trọng để ngăn ngừa sự tích tụ của nitrit gây độc hại cho tôm cá. Tuy nhiên, việc sinh sản của Nitrobacter chậm hơn Nitrosomonas dẫn đến việc còn lại một lượng nitrit dư trong ao nuôi. Điều này không ảnh hưởng đến nước thải nhưng dư nitrit trong ao nuôi có thể gây ngộ độc cho tôm cá.

Nitơ hữu cơ thường được chuyển đổi thành amoni trước khi bị nitrat hóa. Nitơ hữu cơ này thường xuất hiện trong các chất thải của tôm cá, thức ăn thừa và nước thải. Nếu không được chuyển đổi thành amoni, nitơ hữu cơ sẽ không thay đổi khi đi qua hệ thống xử lý. 

Quá trình chuyển đổi nitrat tự dưỡng

Quá trình chuyển đổi này có thể mô tả như sau:

• Phương trình đệm kiềm:

H2O + CO2 <--> H2CO3 <--> HCO3- + H+ <--> CO32- + 2H+

• Phương trình nitrat hóa:

NH4+ + 1.5O2 → 2H+ + 2H2O + NO2-

NO2- + 0.5O2 → NO3-

• Công thức hóa học cho quá trình nitrat hóa tự dưỡng:

NH4+ + 1.83O2 + 1.98HCO3- → 0.021C5H7O2N + 0.98NO3- + 1.041H2O + 1.88H2CO3-

NH4+ + 1.9O2 + 2HCO3- → 1.9CO2 + 2.9H2O + 0.1CH2

Từ các phương trình trên, ta có thể tính toán rằng trong mỗi kg amoni (NH4) bị oxy hóa thành nitrat (NO3), sẽ xảy ra những điều sau đây: 4.18 kg oxy được tiêu thụ và 7.14 kg kiềm được tiêu thụ (canxi cacbonat (CaCO3)) hoặc 12 kg kiềm được đo bằng sodium bicarbonate (NaHCO3).

Có thể tính toán từ các phương trình trên rằng mỗi kg amoni (NH4+) bị oxy hóa thành nitrat (NO3-) sẽ tiêu thụ khoảng 4.18 kg oxy và 7.14 kg chất đệm kiềm (canxi cacbonat (CaCO3)) hoặc tương đương với 12 kg chất đệm kiềm được đo bằng natri bicarbonate (NaHCO3).

Nhược điểm của quá trình nitrat hóa tự dưỡng

Vi khuẩn tự dưỡng nitrosomonas và nitrobacter phát triển chậm hơn so với hầu hết các vi khuẩn dị dưỡng trong nước thải. Chúng cần tới 12-16 tiếng để phân bào trong điều kiện tốt nhất, trong khi các vi khuẩn dị dưỡng phân chia cứ sau 30 – 60 phút. Tốc độ sinh sôi của vi khuẩn tự dưỡng bằng khoảng 1/10 so với vi khuẩn kỵ khí, làm giảm mật độ vi khuẩn và tốc độ nitrat hóa.

Bên cạnh đó, vi khuẩn tự dưỡng còn nhạy cảm hơn với các yếu tố môi trường như hàm lượng oxy hòa tan (DO), độ mặn, ánh sáng và độ kiềm. Điều này hạn chế ứng dụng của chúng trong xử lý nước thải có nồng độ amoni cao (Joo et al., 2005; Beneduce et al., 2014).

Quá trình nitrat hóa dị dưỡng

Quá trình nitrat hóa dị dưỡng là quá trình chuyển đổi amoni thành nitrat bởi các chủng vi khuẩn dị dưỡng. Các vi khuẩn này thường được tìm thấy trong môi trường có ít oxy và chúng có khả năng chuyển đổi nitrit (NO2) thành nitrat (NO3).

Các chủng vi khuẩn như Pseudomonas và Bacillus thường được sử dụng để xử lý nước thải và ao nuôi. Bởi chúng có khả năng chuyển đổi amoni (NH4) thành nitrit (NO2) và kết thúc việc chuyển đổi nitrit thành nitrat. Các phản ứng này diễn ra đồng thời để nhanh chóng chuyển đổi amoni thành nitrat (NO3), làm giảm nồng độ amoni trong nước.

Nhược điểm của quá trình 

Tuy nhiên, quá trình dị dưỡng cũng có một số hạn chế. Các vi khuẩn dị dưỡng phát triển chậm hơn và có tốc độ sinh sôi thấp hơn so với vi khuẩn tự dưỡng. Làm suy giảm mật độ nghiêm trọng và tốc độ nitrat hóa giảm. Chúng cũng nhạy cảm hơn với các yếu tố môi trường như hàm lượng oxy hòa tan (DO), độ mặn, ánh sáng và độ kiềm.

Mặc dù vậy, các chế phẩm sinh học chứa các chủng vi khuẩn dị dưỡng vẫn được sử dụng. Để xử lý nước thải và ao nuôi, đặc biệt là trong các trường hợp có nồng độ amoni cao.

Những vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrat hóa tự dưỡng được gọi là “nitrifiers”, và là những “aerobes” (vi khuẩn hiếu khí). Cần sử dụng oxy hòa tan để thực hiện quá trình này. Quá trình này chỉ xảy ra trong điều kiện hiếu khí với khả năng khử oxy hóa đủ. So với vi khuẩn dị dưỡng, quá trình bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng diễn ra nhanh hơn và không đòi hỏi thời gian lâu.

Trong số các chủng vi khuẩn tự dưỡng, vi khuẩn Pseudomonas là một trong những loại có ưu điểm là không yêu cầu giá thế và thời gian sinh sản nhanh hơn rất nhiều so với vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter.

3 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Quá trình bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố: độ pH, nhiệt độ và oxy hòa tan.

Ảnh hưởng của độ pH

Quá trình nitrat hóa tạo ra axit, làm giảm độ pH trong bể sục khí. Độ pH giảm sẽ ảnh hưởng tới tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitrat hóa. Hai chủng vi khuẩn dị dưỡng thực hiện quá trình là Pseudomonas và Bacillus. Độ pH tối ưu cho hai chủng này là từ 7.2 đến 8.5. Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy có thể xử lý nitrat hiệu quả với độ pH từ 6.5 đến 7.0. Nó sẽ bị ức chế nếu pH dưới 5.0 và ngừng hoạt động nếu dưới 4.0.

Nhiệt độ

Nhiệt độ cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến quá trình . Tốc độ nitrat hóa đạt mức tối đa ở nhiệt độ từ 30 đến 35°C. Tuy nhiên, ở nhiệt độ 40°C và cao hơn, tỷ lệ nitrat hóa giảm đến gần bằng không. Ngược lại, ở nhiệt độ thấp hơn 20°C, tốc độ nitrat hóa sẽ diễn ra chậm hơn. Nếu nhiệt độ nước thải giảm xuống dưới 10°C và mất đi độ kiềm, quá trình sẽ dừng lại. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên gần 15°C, quá trình nitrat hóa sẽ tiếp tục diễn ra.

Oxy hòa tan

Quá trình nitrat hóa nước thải tiêu thụ một lượng lớn oxy. Ví dụ, để oxy hóa 100mg BOD cần tiêu thụ 33mg O2. Theo Metcalf & Eddy, mỗi mg amoni bị oxy hóa tiêu thụ đến 4.23 mg Oxy. Mức oxy hòa tan tối thiểu để xảy ra quá trình  là 2.0 mg/l, và mức oxy hòa tan tối ưu là 4.5 mg/l. Tuy nhiên, chủng vi khuẩn Pseudomonas vẫn có thể thực hiện thao tác khi mức oxy hòa tan chỉ còn 1mg/L. Chủng Pseudomonas có nhiều trong men vi sinh giảm Amoni QUICK START của hãng PROVENTUS BIOSCIENCE.

Do đó, hệ thống sục khí cần được thiết kế phù hợp và vận hành hiệu quả để cung cấp oxy đầy đủ cho quá trình loại bỏ amoni thông qua quá trình nitrat hóa.

Ứng dụng của quá trình nitrat hóa

Quy trình có ứng dụng rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nông nghiệp, phân bón, hệ thống xử lý nước thải tại trung tâm y tế, bệnh viện và các ngành khác. Quá trình chuyển đổi amoniac thành nitrat làm tăng quá trình lọc nitro vì nitrat hòa tan trong nước hơn amoniac. Trong xử lý nước thải, quá trình nitrat hóa là bước quan trọng để loại bỏ amoni và các chất độc hại khác. Sau khi quá trình hoàn tất, cần thực hiện quá trình khử nitrat để đưa mức nitrat trong nước về mức an toàn.

Một trong những phương pháp hiện nay để thực hiện quá trình nitrat hóa là sục khí. Mục đích của sục khí là đưa oxy vào bể phản ứng và bổ sung nguồn cacbon để khử nitrat.

Ngoài ra, quá trình nitrat hóa còn xuất hiện trong nước sinh hoạt. Tại các hệ thống cung cấp nước sạch, chloramines được sử dụng làm chất khử trùng thứ cấp. Tuy nhiên, amoniac tự do vẫn hiện diện và hoạt động, tạo môi trường cho các vi sinh vật oxy hóa amoniac. Các phản ứng liên quan có thể tiêu tốn chất khử trùng trong nước. Vì vậy, cần áp dụng phương pháp bổ sung ion Chloride vào nước bằng Chloramines để kiểm soát quá trình.

Tổng kết

Trên đây là những thông tin liên quan đến quá trình nitrat hóa. Cũng như các yếu tố ảnh hưởng, ứng dụng của quá trình này. Hy vọng qua bài viết có giúp bạn hiểu hơn về quá trình . Đây chính là một quá trình không thể thiếu trong hệ thống xử lý nước thải mà nhiều doanh nghiệp áp dụng. Vì vậy, khi tìm hiểu quý khách nên tìm đơn vị uy tín và đảm bảo chất lượng hệ thống.

Ngoài ra, để đảm bảo được việc điều khiển hướng dòng chảy. Bạn có thể tham khảo các thiết bị như: van bi điều khiển điện, van bướm điện hoặc các dòng van công nghiệp khác. Để biết thông tin chi tiết về sản phẩm cũng như giá thành chính xác. Bạn hãy liên hệ với vancongnghiephp.com. Để được hỗ trợ một cách tốt nhất. 

>>> Xem thêm bài viết: Top 5 những công nghệ xử lý nước thải tốt nhất