Trong quá trình xử lý nước thải, nếu hàm lượng amoniac quá cao thì có cách nào khắc phục không? Cảm ơn
Thread Content
Làm thế nào để xử lý tình trạng hàm lượng amoniac quá cao trong nước thải?
Cụ thể là những thành phần nào,
Công ty chúng tôi có một bể xử lý lớn, nơi nước thải được để lại trong đó trong 10 ngày đến nửa tháng, đồng thời được thông khí. Hàm lượng amoniac trong các chỉ số nước thải đã giảm đáng kể. :lol
Nó bị tách ra dưới điều kiện kiềm; về nguyên tắc thì việc này là không được phép, nên không nên áp dụng
Có nhiều phương pháp để loại bỏ amoniac. Thông thường, phương pháp sinh học được sử dụng vì chi phí của nó khá thấp. Các công nghệ như A/O, A2/O, SBR, CASS, kênh oxy hóa… đều có khả năng loại bỏ amoniac khá tốt; tỷ lệ loại bỏ tối ưu có thể đạt trên 98%.
Quá trình thổi khí xảy ra trong môi trường kiềm (pH > 10,5); lúc này, amoniac trong nước thải chủ yếu tồn tại dưới dạng NH3 (Hình 20-2). Khi cho nước thải tiếp xúc đầy đủ với không khí, NH3 có tính bay hơi trong nước sẽ chuyển từ pha lỏng sang pha khí, qua đó loại bỏ amoniac ra khỏi nước. Bên trong tháp khử trùng, người ta sử dụng các tấm vật liệu bằng gỗ hoặc nhựa làm vật liệu lót. Dòng không khí đi vào tháp từ phía dưới, còn nước thải thì chảy từ đỉnh tháp xuống bể chứa ở phía dưới. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp khử amoniac bằng khí là: (1) Giá trị pH. Thông thường, giá trị pH cần được nâng lên khoảng 10,8–11,5 ； (2) Nhiệt độ: Khi nhiệt độ nước giảm, độ hòa tan của amoniac tăng lên, khiến hiệu quả khử amoniac giảm sút. Ví dụ, ở nhiệt độ 20℃, tỷ lệ loại bỏ amoniac là 90–95%, trong khi ở nhiệt độ 10℃ thì tỷ lệ này giảm xuống còn khoảng 75%. Điều này gây khó khăn cho việc vận hành các thiết bị khử amoniac vào mùa đông ； (3) Tải trọng thủy lực: Nếu tải trọng thủy lực (m3/m2·h) quá cao, nó sẽ phá vỡ trạng thái dòng chảy cần thiết để thực hiện quá trình khử khí một cách hiệu quả; điều này sẽ dẫn đến việc hình thành lớp nước ngăn cản dòng chảy ； Áp lực thủy lực quá thấp, khiến vật liệu lấp đầy không được làm ẩm đúng cách, dẫn đến hoạt động kém hiệu quả và tạo thành tháp khô. Áp lực thủy lực thông thường là 2,5–5 m³/m²·h ； (4) Tỷ lệ khí/nước: Với chiều cao của tháp nhất định, việc tăng lưu lượng không khí sẽ giúp nâng cao tỷ lệ loại bỏ amoniac ； Nhưng khi lưu lượng không khí tăng lên, áp suất giảm cũng tăng theo, vì vậy lưu lượng không khí có một giới hạn nhất định. Thông thường, tỷ lệ khí/nước có thể được chọn trong khoảng 2500–5000 (m3/m2) ； (5) Hình dạng và chiều cao của vật liệu lấp đầy: Vì việc bắn nước lên liên tục và sự hình thành các giọt nước là yếu tố then chốt trong quá trình khử amoniac, nên hình dạng, kích thước, khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy, cũng như cách sắp xếp chúng đều ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử amoniac. Thông thường, khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy là 40–50 mm, còn chiều cao của chúng là 6–7,5 m. Nếu tăng khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy, thì chiều cao của chúng cũng sẽ phải tăng lên ； (6) Kiểm soát sự tích tụ cặn: Sự tích tụ cặn CaCO3 trên vật liệu lọc sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất xử lý của tháp khí hóa. Các biện pháp kiểm soát sự tích tụ cặn bẩn bao gồm: dùng nước có áp suất cao để rửa sạch lớp cặn đó ； Thêm chất ức chế cặn vào nước đầu vào: Sử dụng không khí ít chứa hoặc không chứa CO2 để thổi khí (ví dụ: tái sử dụng khí thải sau khi đã loại bỏ amoniac) ； Sử dụng vật liệu nhựa không dễ bị đóng cặn thay thế cho gỗ và các vật liệu tương tự. Phương pháp khử amoniac bằng luồng khí có thể đạt tỷ lệ khử từ 60–95%. Quy trình thực hiện đơn giản, hiệu quả xử lý ổn định. Chi phí xây dựng cơ sở vật chất và chi phí vận hành cũng khá thấp. Phương pháp này có thể được sử dụng để xử lý nước thải chứa amoniac ở nồng độ cao. Nhưng khi nhiệt độ thấp, hiệu quả khử amoniac sẽ giảm, việc tích tụ cặn bẩn thường gây cản trở hoạt động của hệ thống; đồng thời, amoniac được khử ra cũng gây ô nhiễm môi trường một lần nữa.
Loại bỏ amoniac và nitơ trong nước thải: Nitơ trong nước thải thường tồn tại dưới dạng các hợp chất chứa nitơ, amoniac, nitrat và nitrit. Xử lý sinh học chuyển đổi phần lớn nitơ hữu cơ thành amoniac, sau đó có thể tiếp tục chuyển thành nitrat. Các quy trình loại bỏ nitơ hiện đang được sử dụng gồm bốn phương pháp: nit hóa và khử nitrat sinh học, hấp phụ chọn lọc bằng zeolit, khử nitơ bằng không khí, và khử trùng bằng clo. I. Quá trình nit hóa và khử nit hóa sinh học (phương pháp loại bỏ nitơ bằng sinh vật)
(1) Quá trình nit hóa sinh học
Trong điều kiện có oxy, quá trình chuyển đổi amoniac thành nitrit và nitrat nhờ tác động của vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat được gọi là quá trình nit hóa sinh học. Quá trình nit hóa sinh học diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O. Từ phương trình trên có thể thấy rằng: (1) Trong quá trình nit hóa, để chuyển 1g amoniac thành nitrat, cần 4,57g oxy ； (2) Trong quá trình nit hóa, H+ được giải phóng ra, điều này sẽ làm giảm độ kiềm trong nước thải. Cứ mỗi 1 g amoniac bị oxy hóa, sẽ tiêu tốn 7,1 g độ kiềm (tính theo CaCO3). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nit hóa bao gồm: (1) Giá trị pH. Khi giá trị pH nằm trong khoảng 8,0–8,4 ở nhiệt độ 20°C, tốc độ nit hóa sẽ cao nhất. Do giá trị pH sẽ giảm trong quá trình nit hóa, nên khi độ kiềm của nước thải không đủ, cần phải bổ sung vôi để duy trì giá trị pH ở mức trên 7,5 ； (2) Nhiệt độ: Khi nhiệt độ cao, tốc độ nit hóa sẽ nhanh hơn. Nhiệt độ thích hợp nhất cho vi khuẩn nitrit là 35°C. Khi nhiệt độ dưới 15°C, hoạt tính của chúng giảm mạnh; vì vậy, nhiệt độ nước nên duy trì ở mức không dưới 15°C ； (3) Thời gian lưu giữ bùn: Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa khá chậm; tốc độ sinh trưởng tối đa của chúng là 0,3–0,5 d-1 (ở nhiệt độ 20°C, pH 8,0–8,4). Để duy trì một lượng nhất định vi khuẩn nit hóa trong bể, thời gian lưu giữ bùn phải lớn hơn thời gian sinh sản tối thiểu của vi khuẩn nit hóa. Trong quá trình vận hành thực tế, thông thường nên chọn giá trị lớn hơn 2, hoặc cũng có thể chọn giá trị lớn hơn 2 ； (4) Độ oxy hòa tan: Oxy là chất nhận electron trong quá trình nit hóa của sinh vật. Nếu nồng độ oxy quá thấp, điều này sẽ cản trở quá trình nit hóa diễn ra. Nhìn chung, trong bể khí hóa của phương pháp xử lý nước bằng bùn hoạt tính, nồng độ oxy hòa tan cần được duy trì ở mức trên 2–3 mg/L ； (5) Áp lực BOD: Vi khuẩn nit hóa thuộc nhóm vi khuẩn tự dưỡng, trong khi vi khuẩn oxy hóa BOD lại thuộc nhóm vi khuẩn dị dưỡng. Nếu mức tải BOD5 quá cao, các vi khuẩn dị dưỡng có tốc độ sinh trưởng nhanh sẽ phát triển mạnh mẽ. Điều này khiến các vi khuẩn nitrat hóa thuộc nhóm tự dưỡng không thể chiếm ưu thế, và kết quả là tốc độ nitrat hóa bị giảm xuống. Vì vậy, để quá trình nit hóa diễn ra một cách hiệu quả, mức tải BOD5 cần được duy trì ở mức dưới 0,3 kg(BOD5)/kg(SS).d. (II) Quá trình khử nitrat sinh học: Trong điều kiện thiếu oxy, nhờ hoạt động của các vi khuẩn khử nitrat, các chất NO2–N và NO3–N sẽ được chuyển hóa thành N2. Quá trình này được gọi là quá trình khử nitrat. Chất cung cấp electron (chất cung cấp hydro) trong quá trình khử nitrat chính là các chất nền hữu cơ đa dạng (nguồn carbon). Lấy metanol làm nguồn carbon làm ví dụ, phương trình phản ứng như sau: 6NO3- + 5CH3OH → 5CO2 + 4H2O + 3N2 + 6OH-. Như vậy, trong quá trình khử nitrat sinh học, không chỉ các chất NO3--N, NO2--N có thể bị khử, mà các chất hữu cơ cũng có thể bị oxy hóa và phân hủy. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat: (1) Nhiệt độ. Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn hơn đến quá trình khử nitrat so với các quy trình xử lý nước thải bằng sinh vật khác. Nhìn chung, nên duy trì nhiệt độ ở mức 20–40℃. Vấn đề nằm ở việc nhiệt độ quá thấp vào mùa đông; có thể áp dụng các biện pháp như tăng thời gian lưu giữ bùn, giảm tải trọng xử lý, nhằm duy trì hiệu quả quá trình khử nitrat một cách tốt nhất ； (2) Giá trị pH: Trong quá trình khử nitrat, giá trị pH cần được kiểm soát ở mức 7,0–8,0 ； (3) Oxy hòa tan: Oxy có tác dụng ức chế quá trình khử nitơ. Thông thường, nồng độ oxy hòa tan trong bể khử nitrat cần được kiểm soát ở mức dưới 0,5 mg/L (phương pháp bùn hoạt tính) hoặc dưới 1 mg/L (phương pháp màng sinh học) ； (4) Nguồn carbon hữu cơ: Khi nước thải chứa đủ nguồn carbon hữu cơ, với tỷ lệ BOD5/TN ≥ (3–5), thì không cần phải bổ sung thêm nguồn carbon nào khác. Khi tỷ lệ giữa carbon và nitơ trong nước thải thấp hơn mức này, cần phải bổ sung thêm carbon hữu cơ vào. Để bổ sung carbon hữu cơ, thường sử dụng methanol. Xét đến việc methanol tiêu thụ thêm oxy hòa tan, lượng methanol sử dụng thường bằng 3 lần lượng NO3--N. Ngoài ra, còn có thể tận dụng vi khuẩn chết ； Phần carbon hữu cơ được giải phóng sau quá trình tự phân hủy chính là “nguồn carbon nội bộ”. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi thời gian lưu giữ bùn phải dài hoặc mức tải trọng phải thấp, để vi sinh vật ở trong giai đoạn nghỉ ngơi hoặc suy giảm trong quá trình phát triển. Do đó, dung tích của bể xử lý cũng cần được tăng lên tương ứng. II. Sự lựa chọn zeolit để thực hiện quá trình hấp phụ trao đổi
Zeolit là một loại silicat nhôm, thành phần hóa học của nó có thể được biểu diễn dưới dạng (M2+, 2M+)O·Al2O3·mSiO2•nH2O (với m = 2–10, n = 0–9). Trong đó, M2+ là các ion dương hai giá trị như Ca2+, Sr2+, còn M+ là các ion dương một giá trị như Na+, K+. Zeolit thuộc loại chất trao đổi ion kiềm yếu. Trong cấu trúc không gian ba chiều của zeolit, có những kênh và khoang rỗng có cấu trúc có quy luật, giúp nó có được các tính chất ưu việt như khả năng sàng lọc, khả năng chọn lọc trong quá trình hấp phụ, độ ổn định về mặt nhiệt và hình dạng. Có rất nhiều loại zeolit tự nhiên, trong đó loại được sử dụng chủ yếu để loại bỏ amoniac là zeolit phương tà. Thứ tự chọn lọc trao đổi của zeolit nghiêng đối với một số cation là: K+, NH4+ > Na+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+. Nhờ tính chọn lọc cao của zeolit nghiêng đối với NH4+, người ta có thể sử dụng quy trình hấp phụ trao đổi để loại bỏ amoniac trong nước. Các viên đá được sử dụng để hấp phụ chất bẩn, khi đã bão hòa, có thể được tái chế và sử dụng lại. Giá trị pH của dung dịch có ảnh hưởng lớn đến khả năng loại bỏ amoniac của zeolit. Khi pH quá cao, NH4+ sẽ chuyển hóa thành NH3, làm giảm hiệu ứng hấp phụ trao đổi ； Khi pH quá thấp, tác động hấp phụ cạnh tranh của H+ sẽ tăng lên, điều này gây cản trở việc loại bỏ NH4+. Thông thường, giá trị pH của nước vào nằm trong khoảng 6–8 là lý tưởng. Khi xử lý nước thải đô thị có hàm lượng nitơ amoni từ 10–20 mg/L, nồng độ nitơ amoni trong nước thải sau xử lý có thể giảm xuống dưới 1 mg/L. Khối lượng nước chảy qua khi xuyên thủng khoảng 100–150 khối lượng giường. Khả năng trao đổi chất của zeolit vào khoảng 0,4×10-3 n-1 mol/g. Xốp thạch anh đã bão hòa với amoniac có thể được tái tạo bằng hỗn hợp vôi với nồng độ 5g/L hoặc nước vôi bão hòa. Lượng dung dịch tái tạo sử dụng khoảng 3–5% lượng nước cần xử lý. Nghiên cứu cho thấy việc thêm 0,1 mol NaCl vào dung dịch tái chế vôi có thể nâng cao hiệu suất tái chế. Để giải quyết vấn đề đóng cặn trong quá trình tái tạo vôi, người ta cũng sử dụng dung dịch natri clorua 2% làm chất dùng để tái tạo. Tuy nhiên, lượng chất này cần sử dụng khá nhiều. Chất thải amoniac có nồng độ cao được thải ra trong quá trình tái tạo cần phải được xử lý. Các phương pháp xử lý bao gồm: (1) Sử dụng không khí để loại bỏ NH3; NH3 có thể được thải đi hoặc được hấp thụ bởi H2SO4 để tạo thành phân bón ； (2) Quá trình tách hơi bằng khí nóng: Dung dịch được sử dụng để ngưng tụ là dung dịch amoniac 1%, có thể được dùng làm phân bón ； (3) Oxy hóa bằng phương pháp điện phân (khử clor hóa bằng điện): Phương pháp này được dùng để oxy hóa amoniac, từ đó tạo ra N2. III. Quá trình thổi khí trong môi trường kiềm (pH > 10,5): Trong điều kiện này, amoniac trong nước thải chủ yếu tồn tại dưới dạng NH3 (Hình 20-2). Khi cho nước thải tiếp xúc đầy đủ với không khí, NH3 có tính bay hơi trong nước sẽ chuyển từ pha lỏng sang pha khí, qua đó loại bỏ amoniac ra khỏi nước. Bên trong tháp khử trùng, người ta sử dụng các tấm vật liệu bằng gỗ hoặc nhựa làm vật liệu lót. Dòng không khí đi vào tháp từ phía dưới, còn nước thải thì chảy từ đỉnh tháp xuống bể chứa ở phía dưới. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp khử amoniac bằng khí là: (1) Giá trị pH. Thông thường, giá trị pH cần được nâng lên khoảng 10,8–11,5 ； (2) Nhiệt độ: Khi nhiệt độ nước giảm, độ hòa tan của amoniac tăng lên, khiến hiệu quả khử amoniac giảm sút. Ví dụ, ở nhiệt độ 20℃, tỷ lệ loại bỏ amoniac là 90–95%, trong khi ở nhiệt độ 10℃ thì tỷ lệ này giảm xuống còn khoảng 75%. Điều này gây khó khăn cho việc vận hành các thiết bị khử amoniac vào mùa đông ； (3) Tải trọng thủy lực: Nếu tải trọng thủy lực (m3/m2·h) quá cao, nó sẽ phá vỡ trạng thái dòng chảy cần thiết để thực hiện quá trình khử khí một cách hiệu quả; điều này sẽ dẫn đến việc hình thành lớp nước ngăn cản dòng chảy ； Áp lực thủy lực quá thấp, khiến vật liệu lấp đầy không được làm ẩm đúng cách, dẫn đến hoạt động kém hiệu quả và tạo thành tháp khô. Áp lực thủy lực thông thường là 2,5–5 m³/m²·h ； (4) Tỷ lệ khí/nước: Với chiều cao của tháp nhất định, việc tăng lưu lượng không khí sẽ giúp nâng cao tỷ lệ loại bỏ amoniac ； Nhưng khi lưu lượng không khí tăng lên, áp suất giảm cũng tăng theo, vì vậy lưu lượng không khí có một giới hạn nhất định. Thông thường, tỷ lệ khí/nước có thể được chọn trong khoảng 2500–5000 (m3/m2) ； (5) Hình dạng và chiều cao của vật liệu lấp đầy: Vì việc bắn nước lên liên tục và sự hình thành các giọt nước là yếu tố then chốt trong quá trình khử amoniac, nên hình dạng, kích thước, khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy, cũng như cách sắp xếp chúng đều ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử amoniac. Thông thường, khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy là 40–50 mm, còn chiều cao của chúng là 6–7,5 m. Nếu tăng khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy, thì chiều cao của chúng cũng sẽ phải tăng lên ； (6) Kiểm soát sự tích tụ cặn: Sự tích tụ cặn CaCO3 trên vật liệu lọc sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất xử lý của tháp khí hóa. Các biện pháp kiểm soát sự tích tụ cặn bẩn bao gồm: dùng nước có áp suất cao để rửa sạch lớp cặn đó ； Thêm chất ức chế cặn vào nước đầu vào: Sử dụng không khí ít chứa hoặc không chứa CO2 để thổi khí (ví dụ: tái sử dụng khí thải sau khi đã loại bỏ amoniac) ； Sử dụng vật liệu nhựa không dễ bị đóng cặn thay thế cho gỗ và các vật liệu tương tự. Phương pháp khử amoniac bằng luồng khí có thể đạt tỷ lệ khử từ 60–95%. Quy trình thực hiện đơn giản, hiệu quả xử lý ổn định. Chi phí xây dựng cơ sở vật chất và chi phí vận hành cũng khá thấp. Phương pháp này có thể được sử dụng để xử lý nước thải chứa amoniac ở nồng độ cao. Nhưng khi nhiệt độ thấp, hiệu quả khử amoniac sẽ giảm, việc tích tụ cặn bẩn thường gây cản trở hoạt động của hệ thống; đồng thời, amoniac được khử ra cũng gây ô nhiễm môi trường một lần nữa. IV. Phương pháp khử amoniac bằng clo: Đây là phương pháp sử dụng lượng clo hoặc natri hypochlorit vượt quá mức cần thiết (vượt qua “điểm ngưỡng”), nhằm oxy hóa hoàn toàn amoniac trong nước thải thành N2. Phản ứng có thể được biểu diễn như sau: NH4+ + 1,5HOCl → 0,5N2 + 1,5H2O + 2,5H+ + 1,5Cl-. Từ phương trình phản ứng này, ta có thể thấy rằng lượng clo cần thiết để đạt đến điểm ngưỡng là 7,6 kg/kg(NH3-N); tuy nhiên, lượng clo thực tế cần thiết nằm trong khoảng 8–10 kg/kg(NH3-N). Khi phản ứng diễn ra ở pH = 6–7, lượng chất được sử dụng có thể được giảm xuống mức tối thiểu. Thời gian tiếp xúc thường từ 0,5 đến 2 giờ. Kiểm soát chặt chẽ giá trị pH và lượng clo được sử dụng có thể giúp giảm việc tạo ra các chất độc hại như cloramin (chẳng hạn NCl3) và các hợp chất chloro trong quá trình phản ứng. Phương pháp khử amoniac bằng clor hóa có hiệu quả loại bỏ amoniac lên tới 90–100%, hiệu suất xử lý ổn định, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ nước, và chi phí xây dựng cũng không cao. Nhưng chi phí vận hành của nó rất cao ； Clorin dư và các hợp chất clor hóa cần được xử lý sau.
(1) Quá trình nit hóa sinh học
Trong điều kiện có oxy, quá trình chuyển đổi amoniac thành nitrit và nitrat nhờ tác động của vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat được gọi là quá trình nit hóa sinh học. Quá trình nit hóa sinh học diễn ra như sau: NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O. Từ phương trình trên có thể thấy rằng: (1) Trong quá trình nit hóa, để chuyển 1g amoniac thành nitrat, cần 4,57g oxy ； (2) Trong quá trình nit hóa, H+ được giải phóng ra, điều này sẽ làm giảm độ kiềm trong nước thải. Cứ mỗi 1 g amoniac bị oxy hóa, sẽ tiêu tốn 7,1 g độ kiềm (tính theo CaCO3). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nit hóa bao gồm: (1) Giá trị pH. Khi giá trị pH nằm trong khoảng 8,0–8,4 ở nhiệt độ 20°C, tốc độ nit hóa sẽ cao nhất. Do giá trị pH sẽ giảm trong quá trình nit hóa, nên khi độ kiềm của nước thải không đủ, cần phải bổ sung vôi để duy trì giá trị pH ở mức trên 7,5 ； (2) Nhiệt độ: Khi nhiệt độ cao, tốc độ nit hóa sẽ nhanh hơn. Nhiệt độ thích hợp nhất cho vi khuẩn nitrit là 35°C. Khi nhiệt độ dưới 15°C, hoạt tính của chúng giảm mạnh; vì vậy, nhiệt độ nước nên duy trì ở mức không dưới 15°C ； (3) Thời gian lưu giữ bùn: Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa khá chậm; tốc độ sinh trưởng tối đa của chúng là 0,3–0,5 d-1 (ở nhiệt độ 20°C, pH 8,0–8,4). Để duy trì một lượng nhất định vi khuẩn nit hóa trong bể, thời gian lưu giữ bùn phải lớn hơn thời gian sinh sản tối thiểu của vi khuẩn nit hóa. Trong quá trình vận hành thực tế, thông thường nên chọn giá trị lớn hơn 2, hoặc cũng có thể chọn giá trị lớn hơn 2 ； (4) Độ oxy hòa tan: Oxy là chất nhận electron trong quá trình nit hóa của sinh vật. Nếu nồng độ oxy quá thấp, điều này sẽ cản trở quá trình nit hóa diễn ra. Nhìn chung, trong bể khí hóa của phương pháp xử lý nước bằng bùn hoạt tính, nồng độ oxy hòa tan cần được duy trì ở mức trên 2–3 mg/L ； (5) Áp lực BOD: Vi khuẩn nit hóa thuộc nhóm vi khuẩn tự dưỡng, trong khi vi khuẩn oxy hóa BOD lại thuộc nhóm vi khuẩn dị dưỡng. Nếu mức tải BOD5 quá cao, các vi khuẩn dị dưỡng có tốc độ sinh trưởng nhanh sẽ phát triển mạnh mẽ. Điều này khiến các vi khuẩn nitrat hóa thuộc nhóm tự dưỡng không thể chiếm ưu thế, và kết quả là tốc độ nitrat hóa bị giảm xuống. Vì vậy, để quá trình nit hóa diễn ra một cách hiệu quả, mức tải BOD5 cần được duy trì ở mức dưới 0,3 kg(BOD5)/kg(SS).d. (II) Quá trình khử nitrat sinh học: Trong điều kiện thiếu oxy, nhờ hoạt động của các vi khuẩn khử nitrat, các chất NO2–N và NO3–N sẽ được chuyển hóa thành N2. Quá trình này được gọi là quá trình khử nitrat. Chất cung cấp electron (chất cung cấp hydro) trong quá trình khử nitrat chính là các chất nền hữu cơ đa dạng (nguồn carbon). Lấy metanol làm nguồn carbon làm ví dụ, phương trình phản ứng như sau: 6NO3- + 5CH3OH → 5CO2 + 4H2O + 3N2 + 6OH-. Như vậy, trong quá trình khử nitrat sinh học, không chỉ các chất NO3--N, NO2--N có thể bị khử, mà các chất hữu cơ cũng có thể bị oxy hóa và phân hủy. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat: (1) Nhiệt độ. Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn hơn đến quá trình khử nitrat so với các quy trình xử lý nước thải bằng sinh vật khác. Nhìn chung, nên duy trì nhiệt độ ở mức 20–40℃. Vấn đề nằm ở việc nhiệt độ quá thấp vào mùa đông; có thể áp dụng các biện pháp như tăng thời gian lưu giữ bùn, giảm tải trọng xử lý, nhằm duy trì hiệu quả quá trình khử nitrat một cách tốt nhất ； (2) Giá trị pH: Trong quá trình khử nitrat, giá trị pH cần được kiểm soát ở mức 7,0–8,0 ； (3) Oxy hòa tan: Oxy có tác dụng ức chế quá trình khử nitơ. Thông thường, nồng độ oxy hòa tan trong bể khử nitrat cần được kiểm soát ở mức dưới 0,5 mg/L (phương pháp bùn hoạt tính) hoặc dưới 1 mg/L (phương pháp màng sinh học) ； (4) Nguồn carbon hữu cơ: Khi nước thải chứa đủ nguồn carbon hữu cơ, với tỷ lệ BOD5/TN ≥ (3–5), thì không cần phải bổ sung thêm nguồn carbon nào khác. Khi tỷ lệ giữa carbon và nitơ trong nước thải thấp hơn mức này, cần phải bổ sung thêm carbon hữu cơ vào. Để bổ sung carbon hữu cơ, thường sử dụng methanol. Xét đến việc methanol tiêu thụ thêm oxy hòa tan, lượng methanol sử dụng thường bằng 3 lần lượng NO3--N. Ngoài ra, còn có thể tận dụng vi khuẩn chết ； Phần carbon hữu cơ được giải phóng sau quá trình tự phân hủy chính là “nguồn carbon nội bộ”. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi thời gian lưu giữ bùn phải dài hoặc mức tải trọng phải thấp, để vi sinh vật ở trong giai đoạn nghỉ ngơi hoặc suy giảm trong quá trình phát triển. Do đó, dung tích của bể xử lý cũng cần được tăng lên tương ứng. II. Sự lựa chọn zeolit để thực hiện quá trình hấp phụ trao đổi
Zeolit là một loại silicat nhôm, thành phần hóa học của nó có thể được biểu diễn dưới dạng (M2+, 2M+)O·Al2O3·mSiO2•nH2O (với m = 2–10, n = 0–9). Trong đó, M2+ là các ion dương hai giá trị như Ca2+, Sr2+, còn M+ là các ion dương một giá trị như Na+, K+. Zeolit thuộc loại chất trao đổi ion kiềm yếu. Trong cấu trúc không gian ba chiều của zeolit, có những kênh và khoang rỗng có cấu trúc có quy luật, giúp nó có được các tính chất ưu việt như khả năng sàng lọc, khả năng chọn lọc trong quá trình hấp phụ, độ ổn định về mặt nhiệt và hình dạng. Có rất nhiều loại zeolit tự nhiên, trong đó loại được sử dụng chủ yếu để loại bỏ amoniac là zeolit phương tà. Thứ tự chọn lọc trao đổi của zeolit nghiêng đối với một số cation là: K+, NH4+ > Na+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+. Nhờ tính chọn lọc cao của zeolit nghiêng đối với NH4+, người ta có thể sử dụng quy trình hấp phụ trao đổi để loại bỏ amoniac trong nước. Các viên đá được sử dụng để hấp phụ chất bẩn, khi đã bão hòa, có thể được tái chế và sử dụng lại. Giá trị pH của dung dịch có ảnh hưởng lớn đến khả năng loại bỏ amoniac của zeolit. Khi pH quá cao, NH4+ sẽ chuyển hóa thành NH3, làm giảm hiệu ứng hấp phụ trao đổi ； Khi pH quá thấp, tác động hấp phụ cạnh tranh của H+ sẽ tăng lên, điều này gây cản trở việc loại bỏ NH4+. Thông thường, giá trị pH của nước vào nằm trong khoảng 6–8 là lý tưởng. Khi xử lý nước thải đô thị có hàm lượng nitơ amoni từ 10–20 mg/L, nồng độ nitơ amoni trong nước thải sau xử lý có thể giảm xuống dưới 1 mg/L. Khối lượng nước chảy qua khi xuyên thủng khoảng 100–150 khối lượng giường. Khả năng trao đổi chất của zeolit vào khoảng 0,4×10-3 n-1 mol/g. Xốp thạch anh đã bão hòa với amoniac có thể được tái tạo bằng hỗn hợp vôi với nồng độ 5g/L hoặc nước vôi bão hòa. Lượng dung dịch tái tạo sử dụng khoảng 3–5% lượng nước cần xử lý. Nghiên cứu cho thấy việc thêm 0,1 mol NaCl vào dung dịch tái chế vôi có thể nâng cao hiệu suất tái chế. Để giải quyết vấn đề đóng cặn trong quá trình tái tạo vôi, người ta cũng sử dụng dung dịch natri clorua 2% làm chất dùng để tái tạo. Tuy nhiên, lượng chất này cần sử dụng khá nhiều. Chất thải amoniac có nồng độ cao được thải ra trong quá trình tái tạo cần phải được xử lý. Các phương pháp xử lý bao gồm: (1) Sử dụng không khí để loại bỏ NH3; NH3 có thể được thải đi hoặc được hấp thụ bởi H2SO4 để tạo thành phân bón ； (2) Quá trình tách hơi bằng khí nóng: Dung dịch được sử dụng để ngưng tụ là dung dịch amoniac 1%, có thể được dùng làm phân bón ； (3) Oxy hóa bằng phương pháp điện phân (khử clor hóa bằng điện): Phương pháp này được dùng để oxy hóa amoniac, từ đó tạo ra N2. III. Quá trình thổi khí trong môi trường kiềm (pH > 10,5): Trong điều kiện này, amoniac trong nước thải chủ yếu tồn tại dưới dạng NH3 (Hình 20-2). Khi cho nước thải tiếp xúc đầy đủ với không khí, NH3 có tính bay hơi trong nước sẽ chuyển từ pha lỏng sang pha khí, qua đó loại bỏ amoniac ra khỏi nước. Bên trong tháp khử trùng, người ta sử dụng các tấm vật liệu bằng gỗ hoặc nhựa làm vật liệu lót. Dòng không khí đi vào tháp từ phía dưới, còn nước thải thì chảy từ đỉnh tháp xuống bể chứa ở phía dưới. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp khử amoniac bằng khí là: (1) Giá trị pH. Thông thường, giá trị pH cần được nâng lên khoảng 10,8–11,5 ； (2) Nhiệt độ: Khi nhiệt độ nước giảm, độ hòa tan của amoniac tăng lên, khiến hiệu quả khử amoniac giảm sút. Ví dụ, ở nhiệt độ 20℃, tỷ lệ loại bỏ amoniac là 90–95%, trong khi ở nhiệt độ 10℃ thì tỷ lệ này giảm xuống còn khoảng 75%. Điều này gây khó khăn cho việc vận hành các thiết bị khử amoniac vào mùa đông ； (3) Tải trọng thủy lực: Nếu tải trọng thủy lực (m3/m2·h) quá cao, nó sẽ phá vỡ trạng thái dòng chảy cần thiết để thực hiện quá trình khử khí một cách hiệu quả; điều này sẽ dẫn đến việc hình thành lớp nước ngăn cản dòng chảy ； Áp lực thủy lực quá thấp, khiến vật liệu lấp đầy không được làm ẩm đúng cách, dẫn đến hoạt động kém hiệu quả và tạo thành tháp khô. Áp lực thủy lực thông thường là 2,5–5 m³/m²·h ； (4) Tỷ lệ khí/nước: Với chiều cao của tháp nhất định, việc tăng lưu lượng không khí sẽ giúp nâng cao tỷ lệ loại bỏ amoniac ； Nhưng khi lưu lượng không khí tăng lên, áp suất giảm cũng tăng theo, vì vậy lưu lượng không khí có một giới hạn nhất định. Thông thường, tỷ lệ khí/nước có thể được chọn trong khoảng 2500–5000 (m3/m2) ； (5) Hình dạng và chiều cao của vật liệu lấp đầy: Vì việc bắn nước lên liên tục và sự hình thành các giọt nước là yếu tố then chốt trong quá trình khử amoniac, nên hình dạng, kích thước, khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy, cũng như cách sắp xếp chúng đều ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử amoniac. Thông thường, khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy là 40–50 mm, còn chiều cao của chúng là 6–7,5 m. Nếu tăng khoảng cách giữa các vật liệu lấp đầy, thì chiều cao của chúng cũng sẽ phải tăng lên ； (6) Kiểm soát sự tích tụ cặn: Sự tích tụ cặn CaCO3 trên vật liệu lọc sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất xử lý của tháp khí hóa. Các biện pháp kiểm soát sự tích tụ cặn bẩn bao gồm: dùng nước có áp suất cao để rửa sạch lớp cặn đó ； Thêm chất ức chế cặn vào nước đầu vào: Sử dụng không khí ít chứa hoặc không chứa CO2 để thổi khí (ví dụ: tái sử dụng khí thải sau khi đã loại bỏ amoniac) ； Sử dụng vật liệu nhựa không dễ bị đóng cặn thay thế cho gỗ và các vật liệu tương tự. Phương pháp khử amoniac bằng luồng khí có thể đạt tỷ lệ khử từ 60–95%. Quy trình thực hiện đơn giản, hiệu quả xử lý ổn định. Chi phí xây dựng cơ sở vật chất và chi phí vận hành cũng khá thấp. Phương pháp này có thể được sử dụng để xử lý nước thải chứa amoniac ở nồng độ cao. Nhưng khi nhiệt độ thấp, hiệu quả khử amoniac sẽ giảm, việc tích tụ cặn bẩn thường gây cản trở hoạt động của hệ thống; đồng thời, amoniac được khử ra cũng gây ô nhiễm môi trường một lần nữa. IV. Phương pháp khử amoniac bằng clo: Đây là phương pháp sử dụng lượng clo hoặc natri hypochlorit vượt quá mức cần thiết (vượt qua “điểm ngưỡng”), nhằm oxy hóa hoàn toàn amoniac trong nước thải thành N2. Phản ứng có thể được biểu diễn như sau: NH4+ + 1,5HOCl → 0,5N2 + 1,5H2O + 2,5H+ + 1,5Cl-. Từ phương trình phản ứng này, ta có thể thấy rằng lượng clo cần thiết để đạt đến điểm ngưỡng là 7,6 kg/kg(NH3-N); tuy nhiên, lượng clo thực tế cần thiết nằm trong khoảng 8–10 kg/kg(NH3-N). Khi phản ứng diễn ra ở pH = 6–7, lượng chất được sử dụng có thể được giảm xuống mức tối thiểu. Thời gian tiếp xúc thường từ 0,5 đến 2 giờ. Kiểm soát chặt chẽ giá trị pH và lượng clo được sử dụng có thể giúp giảm việc tạo ra các chất độc hại như cloramin (chẳng hạn NCl3) và các hợp chất chloro trong quá trình phản ứng. Phương pháp khử amoniac bằng clor hóa có hiệu quả loại bỏ amoniac lên tới 90–100%, hiệu suất xử lý ổn định, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ nước, và chi phí xây dựng cũng không cao. Nhưng chi phí vận hành của nó rất cao ； Clorin dư và các hợp chất clor hóa cần được xử lý sau.
Trong điều kiện kiềm, việc khử khí được thực hiện trong tháp khử khí, và hiệu quả rất tốt.