Chu trình Nitơ có ý nghĩa quan trọng trong việc chuyển hoá các hợp chất của Nitơ trong nước tự nhiên hay nước thải như amoni (NH₄⁺/NH₃), nitrit (NO₂^–), nitrat (NO₃^–) hoặc ure,… thành N₂ thoát ra môi trường. Vậy chu trình Nitơ và quá trình xử lý Nitơ trong nước thải là gì? Chúng diễn ra như thế nào? Các hệ thống xử lý nước thải ứng dụng chu trình Nitơ ra sao? Hãy cùng NTSE  tìm hiểu rõ hơn.

Chu trình Nitơ là gì?

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, thực vật và động vật chết sẽ bị vi sinh vật phân huỷ, thải ra amoniac và amoniac bị oxy hoá thành nitrit, nitrat. Nitrat, amoniac từ phân huỷ hiếu khí và từ quá trình cố định đạm sẽ tham gia xây dựng tế bào thực vật mới. Chất hữu cơ chứa nitơ trong thực vật được động vật tiêu thụ để sản xuất protein động vật.

Chu trình Nitơ trong nước 

Trong môi trường nước, sự chuyển hoá của hợp chất nitơ có những nét đặc trưng riêng. 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:

• Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thuỷ sinh để tạo ra sinh khối;
• Bay hơi vào không khí dưới dạng Amoniac (khí NH₃) và 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;
• Sự có mặt của amoni trong nước dẫn đến nhu cầu tiêu thụ oxy, do amoni bị oxy hoá thành nitrit (vi khuẩn nitrosomonas) và nitrat (vi khuẩn nitrobacter).

Chu trình Nitơ trong nước thải diễn ra như thế nào?

Trong nước thải các hợp chất Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni, nitrat, nitrit và trong các hợp chất hữu cơ. Nhìn chung tất cả các loại nước thải đều chứa hợp chất nitơ, tuỳ theo quy định và yêu cầu về mức độ xử lý mà các bể xử lý nước thải và thiết bị sẽ khác nhau. 

Trong đó các vi sinh vật sử dụng các hợp chất nitơ có trong nước thải để xây dựng tế bào, một phần tế bào bị chết (phân huỷ nội bào) tiết ra amoniac và 1 phần tạo ra lượng sinh khối mới. 

Loại vi sinh tự dưỡng đại diện là Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus,… thực hiện phản ứng oxy hóa amoni với oxy để sản xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển. Quá trình oxy hoá tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hoá. Tiếp theo vi sinh tùy nghi, dị dưỡng đại diện là Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus,… khử nitrit, nitrat với chất hữu cơ (chất cho điện tử) để tạo thành khí nitơ (gọi là quá trình khử nitrat). Khí nitơ là sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học trong nước thải.

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 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, 2 quá trình này diễn ra như sau:

Quá trình nitrat hóa (môi trường hiếu khí)

Quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ (đặc trưng là amoni) thành nitrit (do vi khuẩn nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (vi khuẩn nitrobacter) phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ oxy hòa tan trong nước và pH, nhiệt độ,… 

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 khuẩn này 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 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. 

Xem thêm: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa trong XLNT

Như vậy về cơ bản, các hệ thống xử lý nước thải sẽ ứng dụng chu trình Nitơ nhằm tiết kiệm chi phí đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn xả thải. Với nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực xử lý nước thải, NTSE sẽ tư vấn giúp bạn cách xử lý Nitơ trong nước thải triệt để. Liên hệ ngay cho chúng tôi theo Hotline 0888 167 247

---

CÔNG TY TNHH KỸ THUẬT NTS

Trụ sở: Số 15, đường số 3, Khu dân cư Gia Hòa, Phường Phước Long B, TP. Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh

Điện thoại: 0888 167 247

Email: nts@ntse.vn

Website: ntse.vn/xu-ly-nuoc

Facebook: facebook.com/INTSE.VNI/