Chu trình Nitơ là quá trình chuyển đổi qua lại giữa các dạng hợp chất của Nitơ. Việc này giúp các dạng tồn tại của nitơ như amoni (NH4+/NH3), nitrit (NO2–), nitrat (NO3–) hoặc ure,… được chuyển hóa thành N2 bay hơi và thoát ra khỏi môi trường nước. Cơ chế này đóng vai trò then chốt trong việc loại bỏ nitơ, tạo nền tảng cho các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải.
Trong nước thải, nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau và khi tích tụ ở nồng độ cao sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng, thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng nguồn nước. Loại bỏ nitơ vì thế trở thành yêu cầu bắt buộc trong hầu hết các hệ thống xử lý. Chu trình Nitơ chính là nguyên lý cốt lõi giúp thiết kế và vận hành các quy trình xử lý đạt hiệu quả cao. Trong bài viết này, NTS sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về chu trình Nitơ, các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải, cũng như một số giải pháp khắc phục khi nồng độ nitơ vượt tiêu chuẩn cho phép.
Chu trình Nitơ
Nitơ và các dạng tồn tại của Nitơ
Nitơ là một nguyên tố chiếm khoảng 78% thể tích bầu khí quyển và là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào, cấu trúc của protein. Trong tự nhiên Nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hoá học, tham gia vào nhiều quá trình chuyển hoá vật chất giữa các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ.
Trong môi trường hiếu khí:
- Khi thực vật và động vật chết đi, vi sinh vật sẽ phân hủy xác hữu cơ, giải phóng amoniac (NH₃) hoặc ion amoni (NH₄⁺).
- Amoniac này tiếp tục bị vi khuẩn oxy hóa thành nitrit (NO₂⁻) và sau đó thành nitrat (NO₃⁻).
- Chất hữu cơ chứa thực vật cũng có thể chứa thành phần nitơ.
Chu trình Nitơ trong môi trường nước
Hợp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng hợp chất chứa nitơ (axit amin, protein,…). Các chất này dễ dàng bị thuỷ phân (phản ứng với nước) tạo thành amoni.
Amoni sẽ chuyển hoá hoặc dịch chuyển theo 1 trong 3 phương thức sau:
- Trở thành chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thuỷ sinh.
- Bay hơi vào không khí dưới dạng Amoniac (khí NH3). Lúc này nó bị phụ thuộc vào pH của nước. Amoniac là một bazơ yếu có cường độ bazơ là 9,25. Tại pH = 9,25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung hoà và có khả năng bay hơi 50% (NH3), 50% còn lại ở dạng ion amoni (NH4+). Vì vậy pH cao là một điều kiện cần để amoniac bốc hơi.
- Amoni bị oxy hoá thành nitrit (vi khuẩn nitrosomonas) và nitrat (vi khuẩn nitrobacter).
Quá trình xử lý Nitơ trong nước thải
Các hệ thống xử lý nước thải hiện nay chủ yếu ứng dụng chu trình Nitơ nhằm tiết kiệm chi phí và đồng thời mang lại hiệu quả cao cho chủ đầu tư. Cụ thể là áp dụng 2 quá trình nitrat hóa và khử nitrat trước khi xả thải ra môi trường.
Quá trình nitrat hóa (môi trường hiếu khí)
Quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ (đặc trưng là amoni) thành nitrit (nhờ vi khuẩn nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (nhờ vi khuẩn nitrobacter).
Bước 1. Vi khuẩn nitrosomonas sẽ chuyển hóa amoni thành nitrit
NH4+ + 1,5O2 → NO2– + 2H+ + H2O
Bước 2. Vi khuẩn nitrobacter sẽ chuyển hóa nitrit (NO2– ) thành nitrat (NO3– )
NO2– + 0,5O2 → NO3– (kết thúc quá trình nitrat hóa)
Phản ứng tổng của quá trình nitrat hoá được viết lại như sau:
NH4+ + 2O2 → NO3– + 2H+ + H2O
Quá trình khử nitrat (môi trường thiếu khí)
Là quá trình vi sinh chuyển hoá các dạng NO3–, NO2– , NO, N2O về dạng N2 hay quá trình khử nitơ từ dạng hoá trị dương về dạng hoá trị không.
Trong môi trường thiếu oxy, các loại vi sinh vật sẽ khử nitrat (NO3–) và nitrit (NO2–) theo chuỗi chuyển hóa:
NO3– → NO2– → NO → N2O → N2↑
Khí nitơ phân tử N2 tạo thành sẽ thoát khỏi nước và bay hơi ra ngoài. Như vậy là nitơ đã được xử lý.
Vi sinh vật thực hiện quá trình khử Nitrat có tên chung là Denitrifier bao gồm ít nhất là 14 loại vi sinh vật có thể khử nitrat như Bacillus, Pseudomonas, Paracoccus, Spirillum, Thiobacillus, … phần lớn chúng thuộc loại dị dưỡng, tức là sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp tế nào một số ít thuộc loại tự dưỡng.
Yếu tố quan trọng liên quan đến quá trình khử nitrat là cơ chất (chất hữu cơ, CH3OH,…), và kiểm soát nồng độ oxy trong nước để hiệu quả khử nitrat được tối ưu.
Nguyên nhân và cách khắc phục khi quá trình xử lý Nitơ trong nước thải không hiệu quả
Nồng độ cao hay thấp của chỉ tiêu amoni và nitrat trong nước thải là nguyên nhân chính làm ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải. Khiến Nitơ trong nước thải vượt tiêu chuẩn đầu ra. Dưới đây là một số nguyên nhân và cách khắc phục hiệu quả.
Nguyên nhân khiến chỉ tiêu Amoni vượt chuẩn và cách khắc phục
Nguyên nhân
- Quá trình sục khí, xáo trộn kém: Điều này dẫn đến nồng độ DO trong bể hiếu khí thấp (DO < 2 mg/L) làm giảm hoạt động của vi sinh vật nitrat hóa, giảm hiệu quả xử lý amoni.
- pH và độ kiềm không phù hợp: Vi khuẩn nitrat hóa hoạt động tốt nhất trong khoảng pH 6,0 – 9,0. Quá trình nitrat hóa cần độ kiềm đủ: Trung bình mỗi 1 mg/L amoniac bị oxy hóa tiêu tốn khoảng 7,15 mg/L độ kiềm. Độ kiềm tối ưu trong hệ thống thường nằm trong khoảng 100 – 200 mg/L CaCO₃.
- Chủng vi khuẩn nitrat hóa ít hoặc hoạt động kém: Hệ vi sinh chưa phát triển đủ hoặc bị ảnh hưởng bởi chất độc, nhiệt độ, tải trọng hữu cơ.
- Lưu lượng nước thải biến động mạnh: Lưu lượng bị tăng đột ngột hoặc không ổn định làm xáo trộn môi trường sống của vi sinh.
- Nồng độ amoni đầu vào thay đổi: Tăng cao đột ngột vượt khả năng xử lý của hệ thống.
Cách khắc phục
- Kiểm tra tối ưu các thông số vận hành như DO, pH, tỷ lệ sinh dưỡng, lưu lượng nước thải, … Cụ thể: DO ≥ 2 mg/L, pH trong khoảng 6,0 – 9,0, độ kiềm từ 100 – 200 mg/L CaCO₃.
- Đảm bảo tỷ lệ dinh dưỡng (C:N:P) phù hợp, lưu lượng nước thải ổn định.
- Tăng cường lượng vi sinh: Bổ sung bùn hoạt tính hoặc chế phẩm vi sinh chuyên xử lý amoni vào bể xử lý hiếu khí.
- Điều chỉnh lưu lượng nước đầu vào, nguồn cacbon: Kiểm tra thường xuyên và cân chỉnh lại lưu lượng phù hợp; Bổ sung nguồn dinh dưỡng khi nước thải thiếu để giúp vi sinh hoạt động ổn định.
- Kiểm soát nguồn thải nếu có chất độc hại: Xác định, cô lập và xử lý các chất độc hại có trong nguồn thải (hóa chất tẩy rửa, dung môi, chất khử trùng…). Nếu không thể loại bỏ hoàn toàn, có thể bơm nước hoặc điều chỉnh lưu lượng để pha loãng.
- Theo dõi và cân chỉnh nồng độ amoni đầu vào: Định kỳ kiểm tra nắm bắt được nồng độ amoni đầu vào và có kế hoạch điều chỉnh, vận hành phù hợp.
Nguyên nhân khiến chỉ tiêu nitrat vượt chuẩn và cách khắc phục
Nguyên nhân
- Máy khuấy trộn chìm trong bể hoạt động không hiệu quả, không khuấy trộn hoàn toàn thể tích bể hoặc có thể không đủ công suất.
- Lưu lượng nước tuần hoàn và bùn tuần hoàn về bể Anoxic nhiều làm ảnh hưởng đến hệ vi sinh trong bể Anoxic.
- Nồng độ DO trong bể thiếu khí cao: Ở bể thiếu khí nồng độ oxy hòa tan nên duy tùy ở mức dưới 0,5 mg/l. Điểm hoạt động lý tưởng khoảng 0,2 – 0,5 mg/l. Việc nồng độ oxy hòa tan tăng sẽ gây ức chế hoạt động của vi sinh vật khử nitrat làm giảm hiệu quả xử lý.
- Thiếu thức ăn cung cấp cho vi sinh vật khử nitrat: các chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải không đủ để vi sinh phát triển.
- Nước thải chứa chất độc, chất ức chế sự phát triển của vi sinh: Đó có thể là các chất tẩy rửa, dung môi, hóa chất khử trùng, …
Cách khắc phục
- Kiểm tra lại cách lắp đặt máy khuấy có đúng kỹ thuật, đáp ứng khuyến cáo của nhà sản xuất. Nếu máy khuấy không đủ công suất cần tiến hành thay máy khuấy trộn chìm mới phù hợp với thể tích bể.
- Cần tính toán để điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn phù hợp với hệ thống.
- Kiểm tra nồng độ DO và điều chỉnh về mức phù hợp để hệ thống xử lý nước thải hoạt động hiệu quả.
- Kiểm tra tỷ lệ dinh dưỡng của nguồn nước thải đầu vào để có những điều chỉnh cung cấp bổ sung thêm dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển.
- Kỹ thuật vận hành cần kiểm tra nguồn nước thải. Nếu có các chất ức chế vi sinh cần cô lập xử lý nguồn thải ra các chất độc ảnh hưởng đến hệ vi sinh. Tiến hành bơm nước, điều chỉnh lưu lượng để pha loãng nồng độ các chất độc có trong hệ thống. Bổ sung thêm bùn vi sinh hoặc chế phẩm vi sinh cho hệ thống.
Hệ thống xử lý nước thải của bạn đang gặp vấn đề ở hệ xử lý sinh học, nitơ trong nước thải vượt tiêu chuẩn, bạn cần tìm nguyên nhân và cách khắc phục cụ thể, nhanh chóng. Hãy liên hệ ngay cho chúng tôi theo Hotline 0888 167 247 để được tư vấn cụ thể hơn. Với nhiều năm kinh nghiệm trong xử lý nước thải cho nhiều lĩnh vực khác nhau, Công Ty TNHH Kỹ Thuật NTS cam kết sẽ giúp doanh nghiệp của bạn sở hữu công trình đạt hiệu quả tối ưu và tiết kiệm nhất.
Tham khảo thêm: Về dịch vụ Về dự án Về sản phẩm
