Do chỉ tiêu Amoni và Tổng nito là hai chỉ tiêu trong quy chuẩn việt nam có chỉ số tương đối thấp so với mặt bằng trung quy chuẩn nước thải trên thế giới. Trong quá trình thiết kế, rất nhiều đơn vị không chú ý đến quá trình xử lý nito trong nước thải, đôi khi là chọn sai phương pháp xử lý dẫn đến rất nhiều các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bị vượt chỉ tiêu nito.
Có nhiều phương pháp xử lý Nito trong nước thải. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, CCEP sẽ đưa ra nguyên lý và phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp.
Xem thêm: Xử lý nước thải công nghiệp
* Nito trong nước thải tồn tại ở những dạng nào?
Chúng ta nên chia làm 2 nhóm: vô cơ và hữu cơ. Nito vô cơ thì đơn giản, đa số là amoni, nitrat và nitrit hoặc ure. Nito hữu cơ thì phức tạp hơn nó có thể là các amin bậc thấp, axit amin, protein v.v.
* Các chỉ tiêu đánh giá hàm lượng nito trong nước thải?
Có mấy chỉ tiêu cơ bản: NH4+, NO3-, NO2-, TKN và TN. Trong đó các bạn lưu ý có sự khác biệt giữa ký hiệu N-NH4+ với NH4+ tương tự vậy N-NO3- và NO3-. Trong đó: Chỉ tiêu N-NH4+ là lượng nito trong amoni, còn NH4+ là lượng amoni, khối lượng mol của N là 14 và của NH4+ là 18 vậy 2 chỉ số này sẽ chênh nhau khoảng gần 30%.
Trong trường hợp N-NO3- và NO3- thì mức độ chênh lệch lên tới 350%. Vậy nên các bạn phải xem xét kỹ chúng ta đang nói về chỉ tiêu nào nhé.
Chỉ số TKN hay còn gọi là tổng nito Kendal sẽ xác định lượng Nito hữu cơ + lượng nito ure + lượng nito amoni. Nguyên lý cơ bản là chuyển hóa tất cả lượng nito này thành NH3 rồi xác định lượng NH3 này thông qua một vài bước thí nghiệm.
Vậy TKN và TN có khác nhau không? TN> TKN do TN ngoài các thành phần nito trong TKN còn có thêm nito trong nitrat và nitrit,
Nói cách khác chúng ta có thể viết công thức: TN=TKN + N/NO3- + N/NO2-
* Những phương pháp nào để xử lý nito trong nước thải?
Bao gồm các phương pháp sau:
- Phương pháp hóa lý: tripping, trao đổi ion, hấp phụ.
- Phương pháp hóa học: oxi hóa amoni, kết tủa amoni bằng MAP (magie amoni photphat),
- Phương pháp điện hóa.
- Phương pháp sinh học: quá trình nitrat, denitrat và quá trình annamox.
Bài viết Xử lý nước thải sinh hoạt đã hướng dẫn chi tiết cách chọn và thiết kế một hệ thống xử lý nước thải để tránh các nguy cơ vượt các chỉ tiêu môi trường.
Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, nên không thể nói phương pháp nào là tốt nhất. Hãy lựa cơm gắp mắm, tình huống nào sẽ dùng phương pháp nào và thậm chí kết hợp các phương pháp
1. Tripping là gì?
Đây là phương pháp chuyển hóa toàn bộ amoni trong nước thải từ dạng NH4+ thành ammoniac NH3. Sau đó dùng lượng khí lớn loại bỏ NH3 ra khỏi nước thải. pH để thực hiện nên duy trì ở mức 11 – 11.5, lượng khí cần thổi thường ở mức 3m3 khí cho 1l nước thải, hiệu quả của quá trình tripping thường chỉ đạt tối đa 95%
Phương pháp này thường được áp dụng với các nước thải có hàm lượng ô nhiễm lớn (ví dụ như tổng Nito > 100), như trong quá trình xử lý nước thải chăn nuôi heo… khi mà tỉ lệ vàng BOD:N:P không thể đạt được 100:5:1 vì BOD sẽ lớn quá giới hạn áp dụng phương pháp sinh học.
2. Nguyên lý của quá trình trao đổi ion.
Phương pháp này thường dùng để khử amoni bằng phương pháp hấp phụ, đa số sẽ dùng hạt nhựa kationit làm chất hấp phụ. Các chất ô nhiễm sẽ được giữ lại trong các vật liệu hấp phụ.
Vật liệu hấp phụ sau sử dụng được hoàn nguyên bằng axit sunfuric hoặc muối. Do giá hạt nhựa xử lý nito hiện nay vẫn còn rất cao (dao động từ 100.000đ – 200.000đ một lít) do đó phương pháp này thường không được áp dụng ở quy mô lớn.
3. Nguyên lý của phương pháp điện hóa:
Để xử lý amoni trong nước thải có một số nghiên cứu áp dụng pha nước thải với 20% nước biển và đưa vào bể điện phân với anod than chì và katod inox. Dưới tác dụng của dòng điện sẽ tạo thành magie hidroxit, chất này phản ứng với amoni và photpho trong nước thải tạo thành thành phần không tan là magie amoni photphat.
Ngoài ra quá trình điện phân còn hình thành Cl2 có thể oxi hóa amoni, các chất hữu cơ và diệt khuẩn cho nước thải. Hiệu suất xử lý amoni của phương pháp này đạt 80 – 85%, hiệu điện thế sử dụng khoảng 7V, tiêu tốn điện năng ở mức 200A/h cho 1 m3 nước thải. Chất kết tủa tạo thành có thể sử dụng làm phân bón.
4. Phương án tối ưu, thông dụng và đơn giản nhất trong việc xử lý amoni và nito trong nước thải là phương pháp sinh học.
Để sử dụng tốt được phương pháp sinh học trong xử lý Nito thì điều quan trọng nhất là phải hiểu được chính xác công thức: BOD5:N:P = 100:5:1 – Theo quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT, có 2 chỉ tiêu liên quan đến ni tơ là NH4+ (tính theo N) và NO3- (tính theo N).
NH4+ sẽ chuyển thành NO3- qua quá trình nitrification, sau đó NO3- chuyển thành N2 tự do bởi quá trình denitrification (như ảnh). Nitrification xảy ra ở bể hiếu khí, trong khi denitrification ở bể thiếu khí.
Nitrification xảy ra trước, denitrification xảy ra sau, vậy tại sao các bể lại thiết kế dạng A-O (thiếu khí trước – hiếu khí sau)? LÝ DO? Nếu quá trình xử lý hiếu khí trước, BOD có thể mất hết mà ni tơ mới chỉ ở dạng NO3-, chưa tách thành dạng N2 tự do. Khi đó nước thải sau xử lý sẽ đạt chỉ tiêu BOD và Amoni, nhưng không đạt chỉ tiêu Nitrat.
Do đó trong thiết kế thông thường, để giảm thể tích các bể chứa người ta thiết kế bể Anoxic trước bể Oxic, việc chuyển hóa từ NO3- thành N2 diễn ra trong bể Anoxic nhờ dòng bơm tuần hoàn.
Sơ đồ xử lý acmoni trong nước thải sinh hoạt
Các quá trình cơ bản xảy ra như sau:
1. Nitrat hóa
Nitrat hoá là một quá trình tự dưỡng (năng lượng cho sự phát triển của vi khuẩn được lấy từ các hợp chất ôxy hoá của Nitơ, chủ yếu là Amôni. Ngược với các vi sinh vật dị dưỡng các vi khuẩn nitrat hoá sử dụng CO2(dạng vô cơ) hơn là các nguồn các bon hữu cơ để tổng hợp sinh khối mới. Sinh khối của các vi khuẩn nitrat hoá 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 hoá từ Nitơ Amoni được chia làm hai bước và có liên quan tới hai loại vi sinh vật , đó là vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria. ở giai đoạn đầu tiên amôni được chuyển thành nitrit và ở bước thứ hai nitrit được chuyển thành nitrat
- Bước 1. NH4- + 1,5 O2 –> NO2- + 2H+ + H2O
- Bước 2. NO-2 + 0,5 O2 –> NO3-
Các vi khuẩn Nitơsomonas và Vi khuẩn Nitơbacteria sử dụng năng lượng lấy từ các phản ứng trên để tự duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối.
Có thể tổng hợp quá trình bằng phương trình sau :
NH4- + 2 O2 –> NO3- + 2H+ + H2O (*)
Cùng với quá trình thu năng lượng, một số iôn Amoni được đồng hoá vận chuyển vào trong các mô tế bào.
Quá trình tổng hợp sinh khối có thể biểu diễn bằng phương trình sau :
4CO2 + HCO3- + NH+4 + H2O –> C5H7O2N + 5O2
C5H7O2N tạo thành được dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn.
Toàn bộ quá trình ôxy hoá và phản ứng tổng hợp được thể hiện qua phản ứng sau :
NH4++1,83O2+1,98 HCO3- –> 0,021C5H7O2N + 0,98NO3-+1,041H2O+1,88H2CO3
Lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá amôni thành nitrat cần 4,3 mg O2/ 1mg NH4+.
Giá trị này gần bằng với giá trị 4,57 thường được sử dụng trong các công thức tính toán thiết kế. Giá trị 4,57 được xác định từ phản ứng (*) khi mà quá trình tổng hợp sinh khối tế bào không được xét đến.
2. Khử nitrit và nitrat:
Trong môi trường thiếu ôxy các loại vi khuẩn khử nitrit và nitrat Denitrificans (dạng kị khí tuỳ tiện) sẽ tách ôxy của nitrat (NO3-) và nitrit (NO2-) để ôxy hoá chất hữu cơ. Nitơ phân tử N2 tạo thành trong quá trình này sẽ thoát ra khỏi nước.
+ Khử nitrat : NO3- + 1,08
Để cải tạo các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đang gặp sự cố vượt chỉ tiêu Amoni và tổng nito việc quan trọng nhất là kiểm tra lại các thông số đầu vào, kiểm tra lại tỷ lệ vàng BOD:N:P.
Trong trường hợp hệ thống xử lý nước thải đang có chỉ tiêu N đang cao thì phải làm các bước sau:
- Tính toán bổ sung chất hữu cơ để duy trì tỷ lệ trong xử lý
- Kiểm tra lại bể thiếu khí đã thiết kế đúng chưa. Quá trình thiếu khí thường được duy trì trong bể thiếu khí bằng cách đảo trộn nước thải bằng máy khuấy hoặc bơm khuấy. Nhằm mục đích giảm thiểu xuất đầu tư, một vài đơn vị khi thiết kế bể thiếu khí thường sử dụng phương pháp sục khí để đảo trộn nước thải, tuy nhiên phương pháp này là hoàn toàn sai lầm, vì không thể duy trì được pha thiếu khí trong bể dẫn đến không diễn ra quá trình denitrat hóa.
Do đó khi gặp vấn đề cần xử lý nito trong nước thải, bao giờ cũng phải kiểm tra kỹ bể thiếu khí trong hệ thống.
Bằng các kinh nghiệm khắc phục rất nhiều các hệ thống xử lý nước thải bị vướng chỉ tiêu Amoni và tổng nito cao, CCEP tổng hợp lại các nguyên lý, phương pháp để khắc phục sự cố nhằm đưa hệ thống trở lại hoạt động ổn định. Ngoài ra CCEP cũng cung cấp các dịch vụ khắc phục sự cố vượt chỉ tiêu Amoni và tổng nito trong nước thải.
Các phương pháp thực tế áp dụng khi xử lý amoni trong nước thải
Amoni (NH₄⁺) là một dạng nitơ vô cơ phổ biến trong nước thải. Việc xử lý amoni hiệu quả là rất quan trọng để ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước và bảo vệ môi trường. Dưới đây là một số phương pháp thực tế thường được áp dụng để xử lý amoni trong nước thải:
1. Xử lý Nito trong nước thải bằng phương pháp sinh học:
Đây là phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất để loại bỏ amoni khỏi nước thải, dựa trên hoạt động của các vi sinh vật.
Quá trình Nitrat hóa – Khử nitrat (Nitrification – Denitrification):
- Nguyên lý: Trong điều kiện hiếu khí (có oxy), các vi khuẩn tự dưỡng (ví dụ: Nitrosomonas và Nitrobacter) chuyển hóa amoni thành nitrit (NO₂⁻) và sau đó thành nitrat (NO₃⁻). Trong điều kiện thiếu khí (không có oxy), các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng nitrat làm chất nhận điện tử cuối cùng để chuyển hóa nitrat thành khí nitơ (N₂), thoát ra khỏi nước.
- Ứng dụng thực tế: Quá trình này được thực hiện rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải như bể bùn hoạt tính (Activated Sludge), bể lọc sinh học (Biofilters), và hệ thống MBBR. Việc kiểm soát các thông số như DO (oxy hòa tan), pH, nhiệt độ, và hàm lượng chất hữu cơ (đối với khử nitrat) là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả xử lý.
Quá trình Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation):
- Nguyên lý: Đây là một quá trình sinh học kỵ khí, trong đó amoni và nitrit được chuyển hóa trực tiếp thành khí nitơ bởi các vi khuẩn Anammox.
- Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành so với quá trình nitrat hóa – khử nitrat truyền thống vì không cần oxy cho quá trình oxy hóa amoni và giảm nhu cầu về nguồn carbon cho quá trình khử nitrat.
- Ứng dụng thực tế: Quá trình Anammox thường được áp dụng để xử lý nước thải có hàm lượng amoni cao và tỷ lệ COD/N thấp, ví dụ như nước thải từ quá trình sản xuất phân bón hoặc nước thải sau xử lý kỵ khí.
2. Xử lý Nito trong nước thải bằng phương pháp hóa lý:
Các phương pháp hóa lý có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với xử lý sinh học trong một số trường hợp cụ thể.
Stripping khí (Air Stripping):
- Nguyên lý: Tăng pH của nước thải lên cao (thường trên 10.5) để chuyển amoni (NH₄⁺) thành amoniac (NH₃) dạng khí. Sau đó, sử dụng không khí để thổi qua nước thải, cuốn theo khí amoniac.
- Ưu điểm: Hiệu quả với nước thải có hàm lượng amoni cao.
- Nhược điểm: Có thể gây ra ô nhiễm không khí nếu khí amoniac không được thu hồi và xử lý. Cần sử dụng hóa chất để điều chỉnh pH.
- Ứng dụng thực tế: Thường được sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.
Trao đổi ion (Ion Exchange):
- Nguyên lý: Sử dụng các vật liệu trao đổi ion (thường là zeolit tự nhiên hoặc tổng hợp) có khả năng hấp phụ chọn lọc các ion amoni từ nước thải.
- Ưu điểm: Hiệu quả ngay cả ở nồng độ amoni thấp. Có thể tái sinh vật liệu trao đổi ion.
- Nhược điểm: Chi phí đầu tư và vận hành có thể cao. Hiệu quả có thể bị ảnh hưởng bởi các ion cạnh tranh khác trong nước thải.
- Ứng dụng thực tế: Thường được sử dụng để xử lý nước thải đầu ra hoặc trong các hệ thống xử lý nước cấp.
Thẩm thấu ngược và lọc màng (Reverse Osmosis and Membrane Filtration):
- Nguyên lý: Các công nghệ lọc màng có khả năng loại bỏ nhiều loại chất ô nhiễm, bao gồm cả ion amoni, dựa trên kích thước phân tử hoặc điện tích.
- Ưu điểm: Hiệu quả loại bỏ cao.
- Nhược điểm: Chi phí đầu tư và vận hành cao, đặc biệt là chi phí năng lượng và bảo trì màng.
- Ứng dụng thực tế: Thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải phức tạp hoặc khi cần nước thải có chất lượng rất cao.
Clo hóa điểm gãy (Breakpoint Chlorination):
- Nguyên lý: Khi clo được thêm vào nước thải chứa amoni, nó sẽ phản ứng với amoni tạo thành các chloramine. Khi tiếp tục thêm clo đến một điểm nhất định (điểm gãy), tất cả amoni sẽ bị oxy hóa thành khí nitơ.
- Ưu điểm: Loại bỏ amoni hiệu quả và đồng thời khử trùng nước thải.
- Nhược điểm: Có thể tạo ra các sản phẩm phụ như trihalomethane (THMs) nếu có chất hữu cơ trong nước thải. Cần kiểm soát chặt chẽ quá trình clo hóa.
- Ứng dụng thực tế: Thường được sử dụng trong xử lý nước cấp hoặc nước thải y tế.
3. Xử lý Nito trong nước thải bằng hệ thống xử lý tự nhiên:
Các hệ thống xử lý tự nhiên có thể là một lựa chọn bền vững và chi phí thấp cho việc xử lý amoni trong một số trường hợp.
Hồ sinh học (Stabilization Ponds):
- Nguyên lý: Sử dụng các quá trình sinh học tự nhiên, bao gồm hoạt động của vi khuẩn và tảo, để phân hủy và loại bỏ các chất ô nhiễm, bao gồm cả amoni.
- Ưu điểm: Chi phí đầu tư và vận hành thấp. Yêu cầu kỹ thuật đơn giản.
- Nhược điểm: Cần diện tích đất lớn. Hiệu quả xử lý có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết.
- Ứng dụng thực tế: Phù hợp với các khu vực nông thôn hoặc các khu công nghiệp có diện tích đất rộng.
Đất ngập nước nhân tạo (Constructed Wetlands):
- Nguyên lý: Mô phỏng các quá trình xử lý tự nhiên xảy ra trong các vùng đất ngập nước tự nhiên. Thực vật thủy sinh và các vi sinh vật trong hệ thống giúp loại bỏ các chất ô nhiễm, bao gồm cả amoni.
- Ưu điểm: Chi phí vận hành thấp. Cải thiện cảnh quan và đa dạng sinh học.
- Nhược điểm: Cần diện tích đất. Hiệu quả xử lý có thể thay đổi theo mùa.
- Ứng dụng thực tế: Thích hợp cho xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp có lưu lượng nhỏ.
Kết luận:
Việc lựa chọn phương pháp xử lý amoni trong nước thải phù hợp sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm của nước thải (lưu lượng, nồng độ amoni, thành phần khác), yêu cầu về chất lượng nước sau xử lý, chi phí đầu tư và vận hành, cũng như các yếu tố về môi trường và quy định pháp luật hiện hành. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đưa ra quyết định tối ưu.
Lưu ý khi hoàn thiện bài viết:
Chi tiết liên hệ Mr. Minh – 091.789.6633
