Nghiên cứu xử lý nước thải amoniac bằng phương pháp hiệu khí

Nước thải chứa amoniac gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Amoniac có thể chuyển hóa thành các chất độc hại như nitrit và nitrat. Việc kiểm soát nồng độ amoniac trong nước thải là yêu cầu bắt buộc theo các quy định về bảo vệ môi trường. Công nghệ xử lý nước thải ngày càng được chú trọng để đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải khắt khe.

Phương pháp xử lý nước thải hiếu khí sử dụng vi sinh vật để phân hủy amoniac thành các chất vô hại. Quá trình này diễn ra trong môi trường giàu oxy, bao gồm hai giai đoạn chính: nitrat hóa và khử nitrat. Quá trình nitrat hóa chuyển đổi amoniac thành nitrit, sau đó thành nitrat. Quá trình khử nitrat chuyển đổi nitrat thành khí nitơ, loại bỏ amoniac khỏi nước thải.

Nước thải chứa amoniac có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau như: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp (chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón, v.v.), nước thải chăn nuôi. Nồng độ amoniac trong nước thải phụ thuộc vào nguồn gốc và quy trình sản xuất. Nước thải công nghiệp thường có nồng độ amoniac cao hơn so với nước thải sinh hoạt.

Amoniac trong nước thải gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Nó gây ô nhiễm nguồn nước, làm giảm lượng oxy hòa tan (DO), gây hại cho sinh vật thủy sinh. Amoniac cũng có thể chuyển hóa thành các chất độc hại như nitrit và nitrat, gây ô nhiễm nguồn nước uống và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đặc biệt là trẻ em.

Các quốc gia và vùng lãnh thổ đều có các tiêu chuẩn và quy định về xả thải nước thải chứa amoniac để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các tiêu chuẩn này quy định nồng độ amoniac tối đa cho phép trong nước thải trước khi xả ra môi trường. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là bắt buộc đối với các doanh nghiệp và tổ chức.

Nitrat hóa là quá trình oxy hóa amoniac thành nitrit, sau đó thành nitrat, được thực hiện bởi các vi khuẩn tự dưỡng (autotrophic bacteria). Hai nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình này là Nitrosomonas (oxy hóa amoniac thành nitrit) và Nitrobacter (oxy hóa nitrit thành nitrat). Quá trình nitrat hóa đòi hỏi môi trường giàu oxy và pH thích hợp.

Khử nitrat là quá trình chuyển đổi nitrat thành khí nitơ (N2), loại bỏ nitơ khỏi nước thải. Quá trình này được thực hiện bởi các vi khuẩn dị dưỡng (heterotrophic bacteria) trong điều kiện thiếu oxy. Vi khuẩn sử dụng nitrat như chất nhận điện tử thay cho oxy. Cần cung cấp nguồn carbon hữu cơ cho vi khuẩn để thực hiện quá trình khử nitrat hiệu quả.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý amoniac bằng phương pháp hiếu khí, bao gồm: pH, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO), tỷ lệ BOD/N, nồng độ amoniac đầu vào và thời gian lưu nước (HRT). Cần kiểm soát và tối ưu hóa các yếu tố này để đảm bảo quá trình xử lý diễn ra hiệu quả.

Bể aerotank là một trong những hệ thống xử lý hiếu khí lâu đời và phổ biến nhất. Trong bể aerotank, nước thải được trộn lẫn với bùn hoạt tính (vi sinh vật) và được sục khí liên tục để cung cấp oxy cho vi sinh vật phân hủy amoniac. Bể aerotank có thể được vận hành ở nhiều chế độ khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm của nước thải và yêu cầu về hiệu quả xử lý.

MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) là một công nghệ xử lý hiếu khí tiên tiến sử dụng các vật liệu mang (carriers) để vi sinh vật bám dính và phát triển thành màng sinh học. Các vật liệu mang này di chuyển tự do trong bể nhờ hệ thống sục khí, tạo điều kiện tiếp xúc tốt giữa vi sinh vật và nước thải. MBBR có hiệu quả xử lý cao và ít bị ảnh hưởng bởi sự biến động của tải lượng ô nhiễm.

SBR (Sequencing Batch Reactor) là một hệ thống xử lý theo mẻ, trong đó tất cả các giai đoạn xử lý (làm đầy, phản ứng, lắng, rút nước và nghỉ) diễn ra tuần tự trong cùng một bể. SBR có tính linh hoạt cao và dễ dàng điều chỉnh các thông số vận hành để đáp ứng các yêu cầu khác nhau về hiệu quả xử lý. SBR cũng có thể tiết kiệm diện tích xây dựng so với các hệ thống xử lý liên tục.

Nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ amoniac bằng vi sinh Nitrosomonas biến đổi theo nồng độ N-NH4 đầu vào. Ở nồng độ 200 ppm, hiệu quả xử lý là cao nhất, sau đó giảm dần khi nồng độ tăng lên 400 ppm và 600 ppm. Các biểu đồ thể hiện rõ quá trình oxy hóa N-NH4 và sinh N-NO2 trong mô hình.

Quá trình oxy hóa N-NH4 bị ảnh hưởng đáng kể bởi nồng độ oxy hòa tan (DO), độ pH và hàm lượng COD. DO cần được duy trì ở mức tối ưu để đảm bảo hoạt động của vi sinh vật Nitrosomonas. pH cũng cần được kiểm soát để tránh ức chế quá trình nitrat hóa. Hàm lượng COD cao có thể cạnh tranh oxy với vi sinh vật nitrat hóa, làm giảm hiệu quả xử lý.

Qua quá trình thực nghiệm, hiệu suất xử lý loại Nitơ ở các nồng độ N-NH4 khác nhau đã được so sánh. Kết quả cho thấy có sự khác biệt rõ rệt về hiệu quả loại bỏ Nitơ tùy thuộc vào nồng độ ban đầu của amoniac trong nước thải. Biểu đồ thể hiện hiệu suất trung bình loại Nitơ ở các nồng độ khác nhau, cho thấy xu hướng giảm hiệu suất khi nồng độ amoniac tăng.

Phương pháp hiếu khí có ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, chi phí vận hành tương đối thấp và không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế, như đòi hỏi diện tích xây dựng lớn và nhạy cảm với sự biến động của tải lượng ô nhiễm. Cần xem xét kỹ lưỡng các ưu nhược điểm này trước khi quyết định lựa chọn phương pháp xử lý hiếu khí.

Nghiên cứu và phát triển các công nghệ xử lý nước thải amoniac đang được đẩy mạnh trên toàn thế giới. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm: phát triển các chủng vi sinh vật có khả năng xử lý amoniac ở nồng độ cao, tối ưu hóa quá trình nitrat hóa và khử nitrat, kết hợp phương pháp hiếu khí với các phương pháp xử lý khác (ví dụ: anammox) để tăng hiệu quả và giảm chi phí. Ứng dụng chất mang sinh học cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.

Công nghệ xử lý nước thải hiếu khí có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải sinh hoạt đến xử lý nước thải công nghiệp. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp cần dựa trên đặc điểm của nước thải, yêu cầu về hiệu quả xử lý và điều kiện kinh tế - kỹ thuật. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ nguồn nước cho thế hệ tương lai.