QUÁ TRÌNH KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC THẢI: GIẢI PHÁP BỀN VỮNG CHO MÔI TRƯỜNG

Điều gì xảy ra khi nitrat “xâm chiếm” nguồn nước của chúng ta? Và làm thế nào chúng ta có thể “vô hiệu hóa” mối nguy hại này? Câu trả lời nằm trong quá trình khử nitrat nước thải, hãy cùng tìm hiểu!

Hình 1. Nitrat trong nước thải

NITRAT VÀ KHỬ NITRAT LÀ GÌ?

---

Nitrat (NO₃⁻) là một dạng ô nhiễm phổ biến trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Nồng độ nitrat cao trong nguồn nước có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người, bao gồm hiện tượng phú dưỡng (eutrophication) trong các hệ sinh thái nước, gây thiếu oxy cho sinh vật thủy sinh, và tiềm ẩn nguy cơ gây ra các bệnh lý nghiêm trọng cho con người, đặc biệt là trẻ sơ sinh (hội chứng methemoglobinemia hay “bệnh xanh tím”). Do đó, việc loại bỏ nitrat khỏi nước thải là một bước quan trọng trong quá trình xử lý nước thải, hướng tới mục tiêu bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Quá trình khử Nitrat trong nước thải là quá trình tách Oxy ra khỏi Nitrit ( NO2), Nitrat(NO3) dưới tác dụng của các vi khuẩn khử Nitrat. Oxy được tách ra từ Nitrit và Nitrat được dùng lại để Oxy hoá các chất hữu cơ . Nito được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.

Xem thêm: XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC THẢI 

TÁC HẠI CỦA NITRAT TRONG NƯỚC THẢI

---

Trước khi đi vào chi tiết các phương pháp xử lý, chúng ta cần hiểu rõ hơn về những tác động tiêu cực mà nitrat gây ra:

Gây Phú Dưỡng

Khi nước thải giàu nitrat đổ vào các водоем (ao, hồ, sông, biển), nó cung cấp nguồn dinh dưỡng dồi dào cho sự phát triển bùng nổ của tảo và các loài thực vật thủy sinh khác. Hiện tượng này được gọi là phú dưỡng.

Lượng lớn sinh khối tảo chết đi và bị phân hủy bởi vi khuẩn, tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan trong nước, dẫn đến tình trạng thiếu oxy (hypoxia hoặc anoxia), gây chết hàng loạt các loài cá và sinh vật thủy sinh khác, làm suy thoái hệ sinh thái.

Hình 2. Hiện tượng phú dưỡng trong nước

Ảnh Hưởng Đến Sức Khỏe Con Người

Nước uống chứa hàm lượng nitrat cao có thể gây ra hội chứng methemoglobinemia ở trẻ sơ sinh, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu, dẫn đến tình trạng da xanh tím, khó thở, và thậm chí tử vong.

Ngoài ra, nitrat có thể phản ứng với các amin trong dạ dày tạo thành nitrosamine, một hợp chất có khả năng gây ung thư.

Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Nguồn Nước

Nồng độ nitrat cao làm giảm chất lượng nước, gây khó khăn và tốn kém hơn cho các quá trình xử lý nước cấp để cung cấp nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất.

Xem thêm: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ NITRAT TRONG NƯỚC THẢI

---

Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để khử nitrat trong nước thải, bao gồm cả các phương pháp sinh học và hóa lý. Tuy nhiên, phương pháp sinh học khử nitrat (biological denitrification) được xem là hiệu quả và bền vững hơn về mặt chi phí và tác động môi trường.

Khử Nitrat Bằng Phương Pháp Sinh Học (Biological Denitrification)

Đây là phương pháp phổ biến nhất và dựa trên hoạt động của các vi sinh vật kỵ khí (anaerobic) hoặc tùy tiện (facultative anaerobic). Các vi sinh vật này sử dụng nitrat như một chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình hô hấp của chúng, chuyển hóa nitrat (NO₃⁻) và nitrit (NO₂⁻) thành các khí nitơ (N₂) vô hại, thoát ra khỏi nước.

Quá trình khử nitrat sinh học thường diễn ra qua các giai đoạn sau:

• Khử Nitrat Giai Đoạn 1: Nitrat (NO₃⁻) bị khử thành nitrit (NO₂⁻) bởi enzyme nitrate reductase.

NO3−​+2e−+2H+→NO2−​+H2​O

• Khử Nitrat Giai Đoạn 2: Nitrit (NO₂⁻) tiếp tục bị khử thành nitric oxide (NO) bởi enzyme nitrite reductase.

NO2−​+e−+2H+→NO+H2​O

• Khử Nitrat Giai Đoạn 3: Nitric oxide (NO) bị khử thành nitrous oxide (N₂O) bởi enzyme nitric oxide reductase.

2NO+2e−+2H+→N2​O+H2​O

• Khử Nitrat Giai Đoạn 4: Nitrous oxide (N₂O) bị khử thành khí nitơ (N₂) bởi enzyme nitrous oxide reductase.

N2​O+2e−+2H+→N2​+H2​O

Điều kiện để quá trình khử nitrat sinh học diễn ra hiệu quả

• Nguồn Carbon Hữu Cơ:

Vi sinh vật khử nitrat cần một nguồn carbon hữu cơ dễ phân hủy (ví dụ như methanol, acetate, glucose) làm chất cho điện tử.

Việc lựa chọn nguồn carbon phù hợp cần cân nhắc đến hiệu quả khử nitrat, chi phí và khả năng tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn.

• Môi Trường Kỵ Khí hoặc Thiếu Oxy:

Quá trình khử nitrat diễn ra tốt nhất trong môi trường thiếu oxy hòa tan (< 0.5 mg/L).

• pH Thích Hợp:

Hầu hết các vi sinh vật khử nitrat hoạt động tốt nhất trong khoảng pH từ 6.5 đến 8.5.

Hình 3. Test nhanh giá trị pH ở bể hiếu khí

• Nhiệt Độ Thích Hợp:

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa.

Phạm vi nhiệt độ tối ưu thường là từ 20°C đến 35°C.

• Thời Gian Lưu Nước Đủ:

Cần đảm bảo thời gian tiếp xúc đủ để vi sinh vật có thể thực hiện quá trình khử nitrat hoàn toàn.

Các bể trong hệ thống xử lý nước thải khử nitrat

• Bể Anoxic:

Đây là bể sinh học được thiết kế để tạo môi trường thiếu oxy, nơi vi sinh vật khử nitrat phát triển và thực hiện quá trình khử nitrat.

• Hệ Thống Bùn Hoạt Tính Tuần Hoàn (Activated Sludge with Denitrification Zone):

Trong hệ thống này, một vùng anoxic được tích hợp trước vùng hiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat trước khi oxy hóa các chất hữu cơ khác.

• Bể Lọc Sinh Học Kỵ Khí (Anaerobic Biofilters):

Nước thải chảy qua một lớp vật liệu lọc, nơi vi sinh vật bám dính và thực hiện quá trình khử nitrat.

• Hệ Thống Màng Sinh Học (Membrane Bioreactors – MBRs) với Vùng Anoxic:

Kết hợp quá trình khử nitrat sinh học với công nghệ màng lọc để đạt hiệu quả xử lý cao và chất lượng nước đầu ra tốt.

Hình 4. Test nhanh giá trị Nitrat ở bể hiếu khí

Các Phương Pháp Khử Nitrat Hóa Lý

Ngoài phương pháp sinh học, một số phương pháp hóa lý cũng được sử dụng để khử nitrat, mặc dù chúng thường tốn kém hơn và có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn:

Khử Nitrat Hóa Học (Chemical Denitrification)

Sử dụng các chất khử hóa học mạnh như sắt kim loại (Fe⁰) hoặc các hợp chất sulfide để khử nitrat thành khí nitơ.

Phương pháp này thường được áp dụng cho nước thải có nồng độ nitrat rất cao hoặc khi không thể áp dụng phương pháp sinh học.

Trao Đổi Ion (Ion Exchange)

Sử dụng các loại nhựa trao đổi ion đặc biệt để hấp thụ các ion nitrat từ nước thải và thay thế bằng các ion khác (thường là chloride).

Sau khi nhựa bão hòa, nó cần được tái sinh bằng dung dịch muối đậm đặc, tạo ra dòng nước thải thứ cấp chứa nitrat cao.

Thẩm Thấu Ngược (Reverse Osmosis – RO) và Điện Thẩm Thấu (Electrodialysis – ED)

Các công nghệ màng này có thể loại bỏ nitrat cùng với các ion và chất ô nhiễm khác bằng cách sử dụng áp suất hoặc điện trường để đẩy nước qua màng bán thấm.

Tuy nhiên, chúng thường tốn kém về năng lượng và tạo ra dòng nước thải cô đặc cần được xử lý thêm.

Xem thêm: CHỈ SỐ DO, BOD, COD TRONG NƯỚC THẢI 

Lựa Chọn Phương Pháp Khử Nitrat Phù Hợp

Việc lựa chọn phương pháp khử nitrat phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Nồng độ nitrat ban đầu trong nước thải.
• Lưu lượng nước thải cần xử lý.
• Các yêu cầu về chất lượng nước đầu ra.
• Chi phí đầu tư và vận hành.
• Diện tích có sẵn cho hệ thống xử lý.
• Các quy định pháp lý về xả thải.

Trong nhiều trường hợp, phương pháp sinh học khử nitrat thường được ưu tiên do tính hiệu quả, chi phí vận hành tương đối thấp và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, đối với một số ứng dụng đặc biệt, các phương pháp hóa lý có thể là lựa chọn phù hợp hơn để quá trình khử nitrat trong nước thải tốt hơn.

Xem thêm: XỬ LÝ NITO TRONG NƯỚC THẢI BẰNG ĐỘNG VẬT 

KẾT LUẬN

---

Quá trình khử nitrat trong nước thải đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Hiểu rõ các phương pháp khử nitrat khác nhau, đặc biệt là phương pháp sinh học, giúp chúng ta lựa chọn và vận hành các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả và bền vững hơn. Việc đầu tư vào công nghệ và giải pháp khử nitrat tiên tiến là một bước đi cần thiết để đối phó với thách thức ô nhiễm nitrat ngày càng gia tăng trong bối cảnh phát triển kinh tế và đô thị hóa.

---

CÔNG TY CỔ PHẦN CÔNG NGHỆ VISE