1. Giới thiệu

Khử nitrat sinh học là quá trình vi sinh vật loại bỏ nitơ ở dạng nitrate (NO₃⁻) hoặc nitrite (NO₂⁻) ra khỏi nước thải, biến đổi chúng thành khí nitơ (N₂) thoát ra môi trường. Đây là bước quan trọng trong xử lý nước thải nhằm:

• Ngăn ngừa hiện tượng phú dưỡng.

• Bảo vệ nguồn nước ngầm khi sử dụng nước tái sử dụng hoặc xả ra môi trường.

• Giảm hàm lượng nitơ tổng (TN) trong effluent.

Nếu không áp dụng khử nitrat sinh học, quá trình xử lý BOD vẫn có thể loại bỏ 10–30% nitơ nhờ tổng hợp sinh khối vi sinh. Tuy nhiên, để đạt tiêu chuẩn xả thải nghiêm ngặt, cần bổ sung giai đoạn khử nitrat.

2. Cơ chế và con đường phản ứng

2.1. Hai con đường khử nitrat

1. Assimilatory nitrate reduction

   • NO₃⁻ → NO₂⁻ → NH₄⁺ để tổng hợp sinh khối (protein, acid nucleic).

   • Không phụ thuộc DO, nhưng không nhằm mục đích loại bỏ N khỏi hệ thống.

2. Dissimilatory nitrate reduction (denitrification)

   • Xảy ra trong điều kiện thiếu oxy (anoxic), nitrate/nitrite đóng vai trò là chất nhận electron thay cho oxy.

   • Trình tự phản ứng:

     \[NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2 \uparrow\]

   • Một phần N₂O có thể phát thải, gây hiệu ứng nhà kính.

3. Sơ đồ công nghệ

3.1. Preanoxic Denitrification (Substrate-driven)

• Dòng thải chứa BOD vào bể thiếu khí trước khi vào bể hiếu khí.

• Nitrate từ bể hiếu khí tuần hoàn về bể thiếu khí, sử dụng BOD trong dòng vào làm nguồn electron.

3.2. Postanoxic Denitrification (Endogenous-driven)

• BOD đã được loại bỏ ở bể hiếu khí.

• Quá trình khử nitrat dựa vào phân hủy nội sinh, tốc độ chậm hơn.

• Có thể bổ sung carbon ngoài (methanol, acetate, ethanol…) để tăng tốc độ.

4. Vi sinh vật tham gia (Microbiology)

Quá trình khử nitrat sinh học có thể được thực hiện bởi vi khuẩn dị dưỡng (heterotrophic) và vi khuẩn tự dưỡng (autotrophic).

4.1. Heterotrophic denitrifiers

• Nguồn năng lượng: Chất hữu cơ dễ phân hủy (BOD, COD, methanol, acetate…).

• Vai trò: Sử dụng NO₃⁻ hoặc NO₂⁻ làm chất nhận electron thay thế cho oxy khi ở điều kiện thiếu khí (anoxic).

a) Với hợp chất hữu cơ tổng quát \(\text{C}_n\text{H}_a\text{O}_b\text{N}_c\)

Phản ứng tổng quát (theo tài liệu U.S. EPA, 1993):

b) Với nước thải giàu BOD \(C_{10}H_{19}O_3N\)

c) Với methanol (CH₃OH)