Trong những năm gần đây, một số quy trình khử nitơ hoàn toàn mới đã xuất hiện cả trong nước và quốc tế, mang lại những hướng đi mới cho việc xử lý nước thải nitơ amoniac nồng độ cao. Chúng chủ yếu bao gồm quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong thời gian ngắn, khử nitrat hiếu khí và oxy hóa amoniac kỵ khí (ANAMMOX).

1. Quá trình nitrat hóa và khử nitơ ngắn hạn

Năm 1975, Voets và những người khác đã phát hiện ra hiện tượng tích tụ NO2--N trong quá trình nitrat hóa khi nghiên cứu xử lý nước thải nitơ amoniac nồng độ cao, lần đầu tiên đề xuất khái niệm nitrat hóa và khử nitrat cắt ngắn.

Do quá trình oxy hóa nitơ amoniac cần một lượng lớn oxy nên chi phí sục khí trở thành chi phí chính cho phương pháp khử nitơ này. Quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong thời gian ngắn (chỉ oxy hóa nitơ amoniac thành nitơ nitrit trước khi khử nitrat) có thể tiết kiệm không chỉ lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa amoniac mà còn tiết kiệm nguồn carbon cần thiết cho quá trình khử nitrat. Ruiza và những người khác đã sử dụng nước thải tổng hợp (mô phỏng nước thải công nghiệp chứa nồng độ nitơ amoniac cao) để xác định các điều kiện đạt được sự tích lũy nitrit. Để đạt được sự tích lũy nitrit, pH không phải là thông số kiểm soát quan trọng, vì khi pH nằm trong khoảng từ 6,45 đến 8,95, quá trình nitrat hóa tổng số sẽ xảy ra để tạo thành nitrat; khi pH< 6.45 or pH >8,95, quá trình nitrat hóa bị ức chế và nitơ amoniac tích tụ. Khi DO = 0,7 mg/L, 65% nitơ amoniăc có thể được tích lũy dưới dạng nitrit, với tỷ lệ chuyển đổi nitơ amoniăc trên 98%. Khi DO< 0.5 mg/L, ammonia nitrogen accumulation occurs; when DO >1,7 mg/L, quá trình nitrat hóa tổng số sẽ tạo thành nitrat. Liu Junxin và những người khác đã tiến hành phân tích so sánh về tác động của quá trình khử nitơ loại nitrit và loại nitrat đối với nước thải nitơ amoniac nồng độ cao với tỷ lệ cacbon-nitơ thấp. Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình khử nitơ loại nitrit có thể cải thiện đáng kể hiệu quả loại bỏ tổng nitơ và lượng nitơ amoniac và nitơ nitrat có thể tăng gần gấp đôi. Ngoài ra, các yếu tố như pH và nồng độ nitơ amoniac có ảnh hưởng quan trọng đến loại khử nitơ.

Các kết quả ở quy mô thí điểm để xử lý nước thải luyện cốc thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat ngắn hạn cho thấy rằng khi nồng độ COD, nitơ amoniac, TN và phenol lần lượt là 1201,6, 510,4, 540,1 và 110,4 mg/L thì nồng độ nước thải trung bình là 197,1, 14,2, 181,5 và 0,4 mg/L. Tỷ lệ loại bỏ tương ứng lần lượt là 83,6%, 97,2%, 66,4% và 99,6%. So với các quy trình khử nitơ sinh học thông thường, quy trình này có tải lượng nitơ amoniac cao hơn và có thể tăng tốc độ loại bỏ TN trong điều kiện giá trị C/N thấp hơn.

2. Quá trình oxy hóa kỵ khí amoniac (ANAMMOX)

Quá trình oxy hóa amoniac kỵ khí (ANAMMOX) đề cập đến quá trình nitơ amoniac bị oxy hóa trực tiếp thành khí nitơ sử dụng nitrit làm chất nhận điện tử trong điều kiện kỵ khí.

Phương trình phản ứng sinh hóa của ANAMMOX là:
NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂↑ + 2H₂O

Vi khuẩn ANAMMO là vi khuẩn tự dưỡng kỵ khí bắt buộc, khiến chúng rất thích hợp để xử lý nước thải nitơ amoniac có chứa NO₂⁻ và tỷ lệ C/N thấp. So với các quy trình truyền thống, quá trình khử nitơ dựa trên quá trình oxy hóa amoniac kỵ khí có quy trình đơn giản, không cần nguồn carbon hữu cơ bên ngoài, ngăn ngừa ô nhiễm thứ cấp và có triển vọng ứng dụng lớn. Có hai ứng dụng chính của quá trình oxy hóa amoniac kỵ khí: quy trình CANON và tích hợp với Lò phản ứng đơn Loại bỏ amoniac hoạt tính cao bằng Nitrite (SHARON) để tạo thành quy trình kết hợp SHARON-ANAMMOX.

3. Loại bỏ hoàn toàn Nitơ tự dưỡng bằng Nitrit (CANON)

Quy trình CANON là phương pháp sử dụng các vi sinh vật tự dưỡng hoàn toàn để loại bỏ đồng thời nitơ amoniac và nitrit trong điều kiện hạn chế oxy. Về hình thức phản ứng, nó là sự kết hợp giữa quá trình SHARON và ANAMMOX được thực hiện trong cùng một lò phản ứng. Meng Liao và những người khác phát hiện tại Nhà máy xử lý nước rỉ rác chôn lấp chất thải rắn Hạ Bình Thâm Quyến rằng khi oxy hòa tan được kiểm soát ở mức khoảng 1 mg/L, nitơ amoniac đi vào< 800 mg/L, and ammonia nitrogen load < 0.46 kg NH₄⁺/(m³•d), the CANON process can be achieved using an SBR reactor, with an ammonia nitrogen removal rate >95% và tổng tỷ lệ loại bỏ nitơ > 90%.

Nghiên cứu của Sliekers và những người khác cho thấy cả hai quy trình ANAMMOx và CANON đều có thể hoạt động tốt trong lò phản ứng nâng khí và đạt được tỷ lệ chuyển đổi nitơ rất cao. Kiểm soát lượng oxy hòa tan ở mức khoảng 0,5 mg/L trong lò phản ứng gaslift, tốc độ khử nitơ của quy trình ANAMMO đạt 8,9 kg N/(m³·d), trong khi quy trình CANON đạt 1,5 kg N/(m³·d).

4. Quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời (SND)

Theo lý thuyết khử nitơ sinh học truyền thống, quá trình khử nitơ thường bao gồm hai giai đoạn: quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Hai quá trình này cần được thực hiện trong hai lò phản ứng biệt lập hoặc trong cùng một lò phản ứng với môi trường thiếu khí và hiếu khí xen kẽ được tạo ra theo thời gian hoặc không gian. Trên thực tế, ngay từ những năm trước, trong một số quy trình bùn hoạt tính không có giai đoạn thiếu khí và kỵ khí rõ ràng, hiện tượng mất nitơ không đồng hóa đã được quan sát thấy nhiều lần và sự biến mất của nitơ cũng thường xuyên được quan sát thấy trong các hệ thống sục khí.

Trong các hệ thống xử lý này, các phản ứng nitrat hóa và khử nitrat thường xảy ra trong cùng điều kiện xử lý và trong cùng không gian xử lý; do đó, những hiện tượng này được gọi là Quá trình nitrat hóa/khử nitơ đồng thời (SND). Hiện nay, quy trình đại diện cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời là MBBR.

5. Khử nitrat hiếu khí

Lý thuyết khử nitơ truyền thống cho rằng vi khuẩn khử nitrat là tùy tiện và chuỗi hô hấp của chúng sử dụng oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng trong điều kiện hiếu khí và nitrat làm chất nhận điện tử cuối cùng trong điều kiện thiếu oxy. Vì vậy, nếu phản ứng khử nitrat xảy ra thì nó phải ở trong môi trường thiếu khí. Trong những năm gần đây, hiện tượng khử nitrat hiếu khí liên tục được phát hiện và báo cáo, dần dần được chú ý. Một số vi khuẩn khử nitrat hiếu khí đã được phân lập, một số vi khuẩn có thể đồng thời thực hiện khử nitrat hiếu khí và nitrat hóa dị dưỡng (chẳng hạn như T. pantotropha LMD82.5 được phân lập và sàng lọc bởi Robertson và những người khác).Điều này cho phép quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra đồng thời theo đúng nghĩa trong cùng một lò phản ứng, đơn giản hóa quy trình và tiết kiệm năng lượng.

Kết quả thí nghiệm từ lò phản ứng SBR xử lý nước thải nitơ amoniac đã xác minh sự tồn tại của quá trình khử nitrat hiếu khí. Khả năng khử nitrat hiếu khí giảm khi nồng độ oxy hòa tan trong dung dịch hỗn hợp tăng lên. Khi nồng độ oxy hòa tan là 0,5 mg/L, tổng tỷ lệ loại bỏ nitơ có thể đạt tới 66,0%.

Nghiên cứu thực nghiệm động liên tục cho thấy đối với nước rỉ nitơ amoniac nồng độ cao, tổng tốc độ loại bỏ nitơ của quá trình khử nitrat hiếu khí bằng bùn hoạt tính thông thường có thể đạt hơn 10%. Tốc độ phản ứng nitrat hóa giảm khi nồng độ oxy hòa tan giảm, trong khi tốc độ phản ứng khử nitrat tăng khi nồng độ oxy hòa tan giảm. Phân tích động học của quá trình nitrat hóa và khử nitrat cho thấy rằng khi lượng oxy hòa tan ở mức khoảng 0,14 mg/L, quá trình nitrat hóa và khử nitrat sẽ xảy ra đồng thời khi tốc độ nitrat hóa và tốc độ khử nitrat bằng nhau. Tốc độ là 4,7 mg/(L·h), với hằng số phản ứng nitrat hóa KN = 0,37 mg/L và hằng số phản ứng khử nitrat KD = 0,48 mg/L.

N2O, một loại khí nhà kính, được tạo ra trong quá trình khử nitrat, gây ô nhiễm mới. Nghiên cứu về các cơ chế liên quan của nó vẫn chưa đủ sâu và nhiều quy trình vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, cần phải nghiên cứu thêm trước khi chúng có thể được áp dụng hiệu quả trong kỹ thuật thực tế. Ngoài ra, các quá trình như quá trình khử nitơ tự dưỡng hoàn toàn và quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, tất cả đều có triển vọng ứng dụng lớn.

YexSensor Ma trận giám sát cốt lõi để tích hợp hệ thống

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Câu hỏi 1: Tại sao việc kiểm soát lượng oxy hòa tan (DO) lại rất quan trọng trong quá trình nitrat hóa ngắn hạn?
Trả lời: Kiểm soát DO chính xác cho phép vi khuẩn oxy hóa Amoniac (AOB) tồn tại đồng thời ức chế vi khuẩn oxy hóa Nitrit (NOB). Duy trì DO ở mức xấp xỉ 0,7 mg/L đảm bảo rằng amoniac chỉ bị oxy hóa thành nitrit, đây là nền tảng của quy trình rút gọn.

Câu hỏi 2: Những lợi thế chính của quy trình ANAMMOX đối với các nhà tích hợp hệ thống là gì?
Trả lời: Đối với các dự án quy mô lớn, ANAMMO loại bỏ nhu cầu về nguồn carbon bên ngoài và giảm 60% nhu cầu oxy, giảm đáng kể chi phí vận hành (OPEX) và dấu chân của nhà máy.

Câu hỏi 3: YexSensor đảm bảo tính ổn định của dữ liệu trong môi trường amoniac nồng độ cao như thế nào?
Trả lời: YEX-NHN-206 của chúng tôi sử dụng Điện cực chọn lọc ion tiên tiến với các thuật toán bù nhiễu tích hợp, được thiết kế đặc biệt để chống lại các hiệu ứng "ngộ độc" thường thấy trong nước thải công nghiệp.

Câu hỏi 4: Quy trình CANON có thể được thực hiện trong một lò phản ứng không?
Đ: Vâng. CANON kết hợp quá trình nitrat hóa một phần và ANAMMOX trong một lò phản ứng duy nhất bằng cách kiểm soát nồng độ oxy để cho phép cả vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí tự dưỡng cùng tồn tại trong các lớp khác nhau của màng sinh học hoặc bông bùn.

Câu 5: Truyền thông RS485 Modbus RTU mang lại lợi ích gì cho các dự án xử lý nước thải?
Trả lời: Nó tạo điều kiện tích hợp liền mạch vào các hệ thống PLC và SCADA, cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa (lên tới 1200m) và kết nối nhiều cảm biến trên một cáp, giảm độ phức tạp khi lắp đặt.

Câu hỏi 6: Nhiệt độ có ảnh hưởng đến độ chính xác của việc giám sát nitơ amoniac không?
Đáp: Có, nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của ion. Do đó, YEX-NHN-206 bao gồm cảm biến nhiệt độ bên trong có độ chính xác cao để bù tự động theo thời gian thực nhằm đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trong các nhiệt độ theo mùa khác nhau.

Câu hỏi 7: Tại sao việc giám sát pH lại cần thiết để đạt được sự tích lũy nitrit?
Đáp: Mặc dù DO là tác nhân chính nhưng pH nằm ngoài phạm vi 6,45–8,95 có thể ức chế hoàn toàn quá trình nitrat hóa. Đối với các quy trình rút gọn, việc duy trì pH tối ưu đảm bảo rằng AOB vẫn hoạt động đồng thời giúp ngăn chặn sự tăng trưởng của NOB.

Câu 8: Quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời (SND) có phù hợp với nước thải công nghiệp tải trọng cao không?
Trả lời: SND có hiệu quả cao khi được sử dụng với các chất mang màng sinh học như MBBR, tạo ra các vi vùng hiếu khí/thiếu khí cần thiết. Nó đặc biệt hữu ích cho các dự án có không gian hạn chế và yêu cầu kiểm soát DO chính xác ở mức khoảng 0,1-0,5 mg/L.

Tóm tắt: Thúc đẩy tương lai của việc loại bỏ nitơ

Sự chuyển đổi từ loại bỏ nitơ truyền thống sang các quy trình tự dưỡng tiên tiến và ngắn hạn thể hiện bước nhảy vọt đáng kể về hiệu quả kỹ thuật môi trường. Bằng cách tích hợp công nghệ cảm biến hiệu suất cao nhưYexSensor YEX-206 loạtvới các quy trình đổi mới như ANAMMOX và CANON, các nhà tích hợp hệ thống có thể cung cấp các giải pháp không chỉ tuân thủ mà còn có tính bền vững cao.

Khi các tiêu chuẩn toàn cầu về Nitơ tổng (TN) tiếp tục được thắt chặt, khả năng giám sát và kiểm soát các quá trình sinh học nhạy cảm này trong thời gian thực sẽ là yếu tố quyết định sự thành công của các dự án xử lý nước thải công nghiệp hiện đại.

Hỗ trợ & Tích hợp Dự án:
Để có bản đồ đăng ký Modbus chi tiết, thiết kế ô dòng tùy chỉnh hoặc hỗ trợ tích hợp cho các dự án loại bỏ nitơ quy mô lớn, vui lòng liên hệ với nhóm kỹ thuật kỹ thuật YexSensor.