Quá trình nitrat hóa là quá trình hoxy hóa sinh học của ammoniac thành nitrit. Sau đó là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat. Sự biến đổi ammoniac thành nitrit thường là bước giới hạn tốc độ của nitrat hóa.
Nitrat hóa đóng vai trò quan trọng trong chu trình hiếu khí nước thải. Được thực hiện bởi các nhóm nhỏ vi khuẩn tự dưỡng và vi khuẩn cổ. Quá trình được phát hiện bởi nhà vi trùng học người Nga Sergei Winogradsky.
Vi sinh vật và điều kiện môi trường
Quá trình oxy hóa ammoniac
Quá trình oxy hóa ammoniac thành nitrit được thực hiện bởi 2 nhóm sinh vật.
- Vi khuẩn oxy hóa Amoniac AOB: được tìm thấy trong các proteobacteria và gammaproteobacteria. AOB trong đất nhiều nhất là chi Nitrosomonas và Nitrosococcus.
- Vi khuẩn cổ bị ammoniac oxy hóa AOA. Có 2 loại đã được phân lập là Nitrosopumilus maritimus và Nitrososphaera viennensis.
Mặc dù quá trình oxy hóa ammoniac xảy ra đều nhờ cả AOB và AOA nhưng AOA chiếm ưu thế hơn trong cả đất và nước.
Quá trình oxy hóa nitrite thành nitrat
Được thực hiện bởi các vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter và Nitrospira. Tất cả đều tạo ra năng lượng tổng hợp ATP. Các sinh vật nitrat hóa là Chemoautotrophs, sử dụng carbon dioxide làm nguồn phát triển. Một số AOB sở hữu enzyme, urease, xúc tác cho sự chuyển đổi phân tử urê thành 2 phân tử ammoniac và 1 phân tử carbon dioxide.
Nitrosomonas europaea cũng như các quần thể AOB sống trong đất được chứng minh là đồng hóa Carbon dioxide do phản ứng tạo ra sinh khối. Thông qua chu trình Calvin và thu hoạch năng lượng bằng cách oxy hóa ammoniac thành nitrit. Khả năng này giải thích được sự tăng trưởng của AOB khi xuất hiện ure ở môi trường axit.
Trong hầu hết các môi trường, các sinh vật có mặt sẽ hoàn thành 2 bước của quá trình. Kết quả thu được là nitrat. Tuy nhiên, có thể thiết kế hệ thống thực hiện quá trình Sharon để hình thành nitrite.
Ứng dụng của quá trình nitrat hóa
Nitrat hóa rất quan trọng trong 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 ammoniac thành nitrat làm tăng quá trình lọc nitro vì nitrat hòa tan trong nước hơn ammoniac. Trong xử lý nước thải, khi kết quả đạt được là nitrat còn cần 1 quá trình khử nitrat tiếp theo. Phương pháp chủ yếu hiện nay là sục khí. Mục đích là đưa oxy vào bể phản ứng và bổ sung nguồn carbon để khử nitro.
Nitrat hóa cũng 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, ammoniac tự do vẫn hiện diện và hoạt động và tạo môi trường cho các vi sinh vật oxy hóa ammoniac. Các phản ứng liên quan có thể làm tiêu tốn chất khử trùng trong nước. Vì vậy cần khắc phục bằng cách bổ sung ion Chlorite vào nước bằng Chloramines giúp kiểm soát quá trình nitrat hóa.
Các chất ức chế quá trình nitrat hóa
Chất ức chế nitrat hóa là gì?
Các chất ức chế quá trình nitrat hóa là các hợp chất hóa học làm chậm quá trình nitrat hóa ammoniac, phân bón chứa amoni hoặc ure. Những chất ức chế này có thể làm giảm hao mòn nitro trong đất, giúp cây trồng sử dụng thời gian dài mà không cần bổ sung. Các chất ức chế nitrat được sử dụng rộng rãi. Thường được thêm vào 50% ammoniac khan. Có hiệu quả trong việc trồng cây hoa màu nhưng vẫn phụ thuộc vào điều kiện môi trường và khí hậu.
Phân loại
Sự ức chế nitrat hóa xảy ra bằng cách ức chế hoặc tiêu diệt các vi khuẩn oxy hóa hợp chất ammoniac. Có vô số hợp chất ức chế nitrat hóa, có thể phân loại như sau:
- Amoniac monooxygenase AMO: Sự hiện diệnc ủa AMO được xác nhận tại nhiều môi trường, đây là chất ức chế nitro hiệu quả như dicyandiamide , ammonium thiosulfate và nitrapyrin
- Chất ức chế cơ học.
- Hợp chất N – Heterocyclic: Đây là 1 hợp chất dị vòng có các nguyên tử của ít nhất 2 nguyên tố khác nhau hình thành nên vòng.
Quá trình diễn ra
Việc chuyển đổi ammoniac thành hydroxylamine là bước đầu tiên trong quá trình nitrat hóa. Trong đó AH2 là đại diện cho chất xúc tác.
NH3 + AH2 + O2 à NH2OH + A + H2O
Phản ứng này được xúc tác bởi AMO. Các chất ức chế phản ứng liên kết với hoạt động của AMO và ngăn chặn hoặc trì hoãn quá trình nitrat hóa. Quá trình oxy hóa ammoniac bằng AMO là rất quan trọng. Nếu ở các phản ứng khác, đòi hỏi oxy hóa NH3 cần có chất khử tương đương. Có thể bằng hydroxylamine oxyoreductase HAO xúc tác.
NH2oH + H2O à NO–2 + 5H+ + 4e–
Cơ chế này phức tạp. Phân tích động học về sự ức chế oxy hóa NH3 đã chỉ ra các chất nền của AMO cho thấy động học từ cạnh tranh đến không cạnh tranh. Sự liên kết và quá trình oxy hóa có thể xảy ra ở 2 vị trí khác nhau trên AMO. Trong môi trường cạnh tranh, liên kết và quá trình oxy hóa xảy ra tại NH3, trong khi ở môi trường không cạnh tranh thì vị trí xảy ra khác nhau.
Tính chất
Các chất ức chế có thể được định nghĩa là các hợp chất làm gián đoạn phản ứng bình thường có xúc tác bởi enzyme. Phương pháp này xảy ra bằng cách làm bất hoạt enzyme thông qua thay đổi cộng hóa trị của sản phẩm. Cuối cùng ức chế nitrat hóa. Thông qua quá trình, AMO bị vô hiệu hóa , protein được liên kết hóa trị với sản phẩm cuối cùng.
Các hợp chất lưu huỳnh bao gồm ammonium thiosulfate được tìm thấy sau khi sản xuất các hợp chất dễ bay hơi và có tác dụng ức chế mạnh như Carbon disulfide và thiourea.
Mục đích của bổ sung Thiophosphoryl triamide
Bổ sung Thiophosphoryl triamide có thể đạt 2 mục đích là ức chế sản xuất cả urease và nitrat hóa. Trong 1 nghiên cứu về tác dụng ức chế quá trình oxy hóa của vi khuẩn Mitrosomonas europaea. Sử dụng Thioethers dẫn đến quá trình oxy hóa các hợp chất thành sulfoxide. Trong đó, nguyên tử S là nơi oxy hóa chính của AMO. Điều này có liên quan mạnh mẽ nhất đến khả năng ức chế cạnh tranh.
Các hợp chất dị vòng nitro cũng là chất ức chế nitrat hiệu quả cao. Thường phân loại theo cấu trúc vòng. Phương thức hoạt động của các hợp chất này chưa được hiểu rõ. Trong khi các chất ức chế AMO sử dụng rộng rãi hơn dựa trên cơ chế chủ yếu của enzyme. Có nhiều ý kiến cho rằng các hợp chất chứa 2 hoặc 3 nguyên tử N vòng liền kề như pyridazine, pyrazole, indazole có xu hướng có tác dụng ức chế cao hơn đáng kể so với các hợp chất chứa nguyên tử N không liền kề hoặc các nguyên tử N vòng đơn. Điều này cho thấy, sự hiện diện của các nguyên tửu vòng N có tương quan trực tiếp với tác dụng ức chế của hợp chất.
Mối liên hệ của ức chế nitrat hóa đối với môi trường
Các vấn đề môi trường nghiêm trọng hiện nay đã tạo nên mối quan tâm về chất ức chế nitrat hóa. Các chất thải, nitrat ngấm dần vào mạch nước ngầm tạo ra chất độc cấp tính. Gây hại tới nhiều loại đồng vật hoang dã. Đồng thời góp phần tạo nên hiện tượng phú dưỡng nguồn nước. Một số chất nitrat hóa cũng sản xuất ra khí metan.
Đối với khí quyển
Nitro oxide N2O trong khí quyển thấp hơn nhiều so với CO2. Tuy nhiên, khả năng gây nóng lên toàn cầu cao gấp 300 lần so với CO2 và đóng góp 6% nhiệt độ cho toàn bộ trái đất do tạo nên khí nhà kính.
Đối với đất
Đất, bao gồm polyanionic, đất sét và silicat. Amoni NH+4 liên kết chặt chẽ với đất nhưng các ion NH–3 thì không. Bởi nitrat có tính di động hơn, hòa tan trong mạch nước ngầm thông qua thủy lợi nông nghiệp. Nitrat trong nước ngầm ảnh hưởng đến nồng độ nước mặt thông qua các tương tác trực tiếp từ khi khai thác sử dụng. Ví dụ: Nước sinh hoạt chủ yếu dựa vào mạch nước ngầm nhưng hầu hết các nhà máy xử lý nước thải đều xả vào nước mặt.
Hệ sinh vật
Các động vật hoang dã như lưỡng cư, cá nước ngọt và côn trùng rất nhạy cảm với nồng độ nitrat. Đây là nguyên nhân gây ra sự phát triển bất thường ở các loài bị ảnh hưởng. Nồng độ nitrat góp phần gây ra phú dưỡng, trong đó môi trường nước thiếu hụt oxy nặng nề.
Nitrat hóa gây sương mù quang hóa, tạo ozone tầng mặt đất, mưa axit và làm thay đổi đa dạng loài không mong muốn khác.
Ngoài ra, các chất ức chế nitrat hóa được chứng minh là có khả năng ngăn chặn quá trình oxy hóa metan và CO2. Cả nitrapyrin và acetylene đều được chứng minh là chất ức chế đặc biệt mạnh mẽ. Mặc dù phương pháp áp dụng thực hiện chưa rõ ràng.
Một số chất ức chế quá trình nitrat hóa enzyme chẳng hạn như urease cũng có thể ức chế sản xuất metan bằng vi khuẩn methanotrophic. Tốc độ quay vòng động học của AMO tương tự MMO [methane monooxygenase]. Điều đó chỉ ra rằng MMO là chất xúc tác tương tự AMO trong oxy hóa metan. Các vi khuẩn methanotrophic có nhiều điểm tương đồng với các chất oxy hóa NH3 như Nitrosomonas. Khả năng ức chế của các hạt MMO cho thấy sự tương đồng với AMO. Dẫn đến sự giống nhau về tính chất giữa MMO trong methanotrophs và AMO trong autotrophs.
Quá trình nitrat hóa trong xử lý nước thải
Một trong những ứng dụng của quá trình nitrat hóa là xử lý nước thải. Loại bỏ ammoniac trong nước bằng cách chuyển hóa nitrit thành nitrat. Khi đạt được thành quả nitrat sẽ tiến hành khử để tạo khí metan.
Phương trình mô phỏng nitrat hóa
NH+4 + 1.5O2 à NO2 + H2O + 2H+
NO–2 + 0.5O2 à NO–3
Phản ứng tổng thể:
NH4 + 2O2 à NO–3 + 2H+ + H2O
Amoniac trong nước thải có từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm:
- Protein: thịt, máu, nhu mô và các chất dịch từ cơ thể con người, động vật.
- Các chất dinh dưỡng: ure, axit amin, casein ….
- Các hóa chất: Các chất ức chế ăn mòn, hóa chất xử lý, hóa chất tẩy rửa có chứa hợp chất amoni bậc 4, nguyên liệu thô…
Vi sinh vật trong quá trình xử lý
Trong hệ thống bùn hoạt tính hoặc các hệ thống xử lý nước thải sinh học, Nitro được nitrat hóa trong điều kiện hiếu khí. 2 loài vi khuẩn tham gia trong quá trình là Nitrosomonas và Nitrobacter. Tỷ lệ vi khuẩn này chiếm 3 – 10% trong quá trình bùn hoạt tính nitrat hóa. Những vi khuẩn này là loài tự dưỡng được gọi chung là Nitrifiers. Chúng tự lấy nguồn carbon từ carbon vô cơ hoặc carbon dioxide.
Đặc điểm:
- Nitrifiers sở hữu các cytomembranes. Đây là phần mở rộng của màng tế bào ra khỏi thành và hướng về tế bào chất.
- Tạo nên vị trí hoạt động cho quá trình oxy hóa các ion amoni và nitrit.
- Trên các tế bào của nitrifiers, các ion amoni và nitrite tương ứng tiếp xúc với các enzyme thêm oxy vào mỗi ion.
Điều kiện hoạt động
Oxy: Nitrifiers là vi khuẩn aerobic bắt buộc. Tức là chúng cần các phân tử oxy tự do và bị tiêu diệt trong điều kiện yếm khí. Quá trình nitrat hóa tối đa xảy ra trong điều kiện oxy hòa tan DO là 3.0 mg/L. Quá trình nitrat hóa đáng kể xảy ra khi DO đạt từ 2.0 – 2.9 mg/L. Quá trình nitrat hóa dừng hoạt động ở mức DO < 0.5 mg/L.
Tỷ lệ cần khoảng 4.6 kg oxy cho mỗi kg ion amoni bị oxy hóa thành nitrat. Tương đương 1kg oxy để oxy hóa 1 kg BOD carbonate. Trong trường hợp thời gian dưới 4 giờ không đủ oxy sẽ không ảnh hưởng xấu tới vi khuẩn nitrifiers. Để đảm bảo quá trình nitrat hóa hiệu quả, cần duy trì mức DO = 51.5 mg/L.
Nhiệt độ: Nitrat hóa nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ tối ưu để đạt hiệu quả trong ngưỡng 28 – 300C.
Trong trường hợp nhiệt độ quá 450C hoặc dưới 50C, quá trình nitrat hóa ngừng hoạt động. Ngưỡng nhiệt độ từ 10 – 160C quá trình hoạt động giảm 50 – 60% hiệu quả.
Độ kiềm và pH:
Độ kiềm bị mất trong quá trình sử dụng bùn hoạt tính để nitrat hóa. Do vi khuẩn nitrifiers sử dụng kiềm làm nguồn carbon vô cơ. Các ion H+ được tạo ra khi các ion amoni bị oxy hóa thành nitrite:
NH+4 + 1.5O2 à NO2 + H2O + 2H+
Axit nitro NHO2 cũng được tạo ra trong quá trình oxy hóa các ion amoni. Việc này làm phá hủy độ kiềm:
H+ + NO2 à HNO2
7.14 mg độ kiềm khi CaCO3 bị phá hủy cho mỗi mg ion amoni bị oxy hóa. Nếu độ pH giảm xuống dưới 6.7 thì quá trình nitrat hóa cũng bị giảm đáng kể. Do đó, việc duy trì độ kiểm trong bể sục khí để cung cấp độ ổn định pH và cung cấp carbon vô cơ cho các vi khuẩn nitrat hóa là vô cùng quan trọng. Sau khi nitrat hóa hoàn toàn, độ kiềm dư 50 mg/L là đạt tiêu chuẩn. Nếu không đủ, cần bổ sung độ kiềm cho bể sục khí. Phạm vi pH tối ưu cho quá trình là 7.2 đến 8 ppm.
Tuổi bùn hoặc F:M
Thời gian cứ trú của tế bào trung bình hay còn gọi là tuổi bùn là số ngày trung bình mà vi sinh vật được giữ trong quy trình bùn hoạt tính. Trước khi chúng bị xả khỏi hệ thống. Tuổi bùn cao giúp tăng số lượng vi sinh vật nitrat hóa. Các giá trị tuổi bùn MCRT hoặc F:M phụ thuộc vào nhiệt độ. Hoạt động của vi sinh nitrifiers sẽ giảm mạnh khi nhiệt độ thấp. Vì vậy, mùa đông cần đảm bảo điều kiện để duy trì số lượng nitrifiers để tăng hiệu quả nitrat hóa. Giảm tỷ lệ lãng phí cũng giúp tăng MCTR.
Sự ức chế, độc tính
Sự ức chế hoặc độc tính làm mất tạm thời hoặc dài hạn khả năng hoạt động của enzyme trong bùn hoạt tính. Có thể gây thiệt hại không thể phục hồi đối với các cấu trúc tế bào. Những chất thải ức chế có thể làm giảm đáng kể quá trình nitrat hóa, khiến nitrifiers phát triển chậm và chiếm tỷ lệ nhỏ trong hệ thống sục khí.
Vi khuẩn nitrat hóa cũng bị ức chế bởi nồng độ ammoniac tự do thấp và axit nitric tự do. Amoniac tự do NH3 được sản xuất từ các ion amoni trong môi trường pH cao ở bể sục khí. Axit nitric tự do NHO2 được sản xuất từ các ion nitrit trong môi trường pH thấp ở bể sục khí.
Loại ức chế này gọi là ức chế cơ chất. Sự ức chế môi trường chất nền thường xảy ra ở nồng độ các ion amoni 400 – 500 mg/L. Hoặc khi các ion amoni được chuyển đổi thành các ion nitrite với tốc độ nhanh hơn các ion nitrite được chuyển đổi thành các ion nitrat.
BOD
Các dạng BOD hòa tan và đơn giản có thể ức chế hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa. Chúng xâm nhập vào tế vào của vi khuẩn và làm bất hoạt hệ thống enzyme. Dạng BOD này phải được phân hủy hoàn toàn bởi các chất hữu cơ để vi khuẩn nitrat hóa oxy hóa các ion amoni và nitrit.
Nitrifiers phụ thuộc vào các chất hữu cơ để giảm BOD xuống nồng độ thấp [dưới 40 mg/L]. BOD dư thừa có thể gây ra nhu cầu oxy đáng kể. Gây ra sự sụt giảm DO và làm ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn nitrat hóa. Biến động chỉ số BOD có thể dẫn đến quá trình nitrat hóa không liên tục.
Quá trình Nitrat hóa trong xử lý nước thải là một trong nhiều quá trình quan trọng trong công nghệ AAO. Quá trình này giúp chuyển hóa Nitơ trong nước thải và giải phóng ra ngoài. Đây cũng là một quy trình không thể thiếu trong hệ thống xử lý nước thải mà Nihophawa đang áp dụng hiện nay. Để hiểu thêm về hệ thống và báo giá chi tiết, quý khách có thể để lại số điện thoại. Phòng Kinh doanh của công ty sẽ liên hệ tư vấn với đơn vị chi tiết.