tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất nitơ trong nước thải của vi sing vật

Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu,không mùi, không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ, còn gọi là đạm khí.Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là t

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày gia tăng và đang được sựquan tâm của nhiều nghành, nhất là đối với việc ô nhiễm do nước thải Đối với nhiềunước thải có hàm lượng các chất dinh dưỡng (N,P) trung bình và cao, việc xử lý loại

ra các thành phần này trước khi xả là một nhu cầu quan trọng, nhằm hạn chế sự ônhiễm nước ngầm, nước mặt

Một trong các dạng hợp chất gây nên sự ô nhiễm của nước phải nói đến cáchợp chất hữu cơ chứa itơ Nếu như hàm lượng Nitơ có trong nước xả thải ra sông, hồquá mức sẽ gây ra một hiện tượng ô nhiễm, điển hình là hiện tượng phú dưỡng hóakích thích sự phát triển nhanh của rong, rêu, tảp làm bẩn nguồn nước

Việc áp dụng các phương pháp sinh học để xử lý nước thải hiện nay đang làvấn đề cần được chú ý và phát triển, đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là

vi khuẩn để phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tạo ra sản phẩm cólợi như carbonic, nước và các chất vô cơ khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA HỢP

CHẤT CỦA NITƠ1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ

Nitơ là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố có ký hiệu

N và số nguyên tử bằng 7 Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu,không mùi, không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ, còn gọi là đạm khí.Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống.Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các axit amin, axit nucleic, ammoniac, axitnitrite, cyanua…

Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bịchuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờmột số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn Khả năng kết hợp hay cố định nitơ làđặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ được chuyểnhóa thành amomniac Ammoniac có thể được sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phânbón, hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác

Các muối của acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như hay

diêm tiêu, thuốc súng và nitrate amoni Các hợp chất nitrate hữu cơ khác, như TNT Acid nitrite được sử dụng làm chất oxi hóa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng.Ammoniac là một hợp chất quan trọng giữa N và H Ammoniac có tính bazơ, trongdung dịch thì nó tạo ra các cation amoni (NH4 ) Các khác có cấu trúc tương tự là

dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) và nitơ dioxit (NO2) Các oxit tiêu chuẩnhơn là dinitơ trioxit (N2O3) và dinitơ pentoxit (N2O5), trên thực tế là tương đối không

ổn định và là các chất nổ Các axit tương ứng là acid nitrơ (HNO2) và acid nitrite(HNO3), với các muối tương ứng được gọi là nitrite và nitrate Acid nitrite là mộttrong ít các axit mạnh hơn hydroni

Bảng 1.1 Trạng thái hóa trị của hợp chất nitơ trong hợp chất hóa học.

1.2 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ

1.2.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ

Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học tham gia và chuyểnhóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là chuyển hóa giữa các dạng hợp chất

vô cơ và hữu cơ chứa nitơ

Hình 1.1 Chu trình sinh địa hĩa nitơ

Năng lượng tỏa

ra từ công nghiệp

Xác động thực vật

urê

Phân bón

Đồng hóa

Amon hóa

Phân hủy (vi khuẩn, nấm)

Khử nitrat

Họat động con ngườiHọat động tự nhiên

Nitơ khí quyển

Nhiên liệu hóa thạch

Khĩa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ

Hợp chất nitơ vơ cơ đơn giản và đầu tiên hết là nitơ tự do trong khơng khí.Nitơ vơ cơ này chuyển hĩa thành nitơ hữu cơ nhờ quá trình cố định nitơ của vi sinhvật, thực vật Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạmhữu cơ như protein, acid amin Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tồntại trong đất Dưới tác dụng của nhĩm vi sinh vật hoại sinh thực hiện quá trình amonhĩa phân giải thành các acid amin Các acid amin này lại được một nhĩm vi sinh vậtphân giải thành ammoniac Ammoniac tiếp tục được chuyển hĩa thành các hợp chấtcủa nitrite, nitrate nhờ nhĩm vi sinh vật nitrate hĩa Dạng nitrate được chuyển hĩathành nitơ phân tử nhờ quá trình phản nitrate hĩa trả lại nitơ tự do cho khí quyển

Như vậy, vịng tuần hồn nitơ được khép kín Trong hầu hết các giai đoạnchuyển hĩa của vịng tuần hồn đều cĩ sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau.Nếu sự hoạt động của nhĩm nào đĩ ngừng lại, tồn bộ sự chuyển hĩa của vịng tuầnhồn sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng

Hình 1.2 Chu trình nitơ

thạch

Tế bàothựcvật

Vi sinh vật thủy phân

Tế bào nitơ hữu cơ

Phân hủy nội bào

Tạo sinhkhối

Chất hữu cơ Carbon

NO 3

-1.2.2 Quá trình amon hóa

Quá trình amon hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ hữu cơ như acid amin,protein, ure … thành nitơ vô cơ, CO2 và nước Quá trình amon hóa bao gồm 2 quátrình

1.2.2.1 Amon hóa ure

Ure có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22%nước tiểu Trong công thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nitơ, vì thế nó là nguồn dinhdưỡng đạm tốt với cây trồng

Quá trình amon hóa chia làm hai giai đoạn Đầu tiên, dưới tác dụng của enzymeurease được tạo ra bởi các vi sinh vật, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonatamoni Sau đó, carbonat amoni được chuyển hóa thành NH3, CO2 và H2O bằng mộtphản ứng hóa học thông thường

CO(NH2)2 + 2H2O  (NH4) 2 CO3 (giai đọan 1)(NH4) 2 CO3  2NH3 + CO2 + H2O (giai đoạn 2)

Một số loài vi sinh vật tiết enzyme urease có hoạt tính phân giải cao như Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae Đa số chúng thuộc nhóm

hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm Bởi vậykhi sử dụng ure làm phân bón người ta kết hợp với bón vôi, đồng thời xới xáo làmthoáng đất

1.2.2.2 Amon hóa protein

Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật Khi sinh vật chết đi, proteinđược tích lũy trong đất Protein chứa 15 – 17% nitơ nhưng cây trồng không thể hấpthụ trực tiếp protein mà phải thông qua quá trình amon hóa Quá trình này có thể xảy

ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khảnăng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase Enzyme protease xúctác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein,polypeptide tạo sản phẩm là acid amin

Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giải thành cácpolypeptide và oligopeptide Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit aminnhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đó đượcphân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào Một phần các axit amin được tế bào

vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối Một phần các acid amin theo cáccon đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác.Với các protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhóm vi khuẩn lưu huỳnh vàcác nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H2S, scatol, indol haymercaptan

Trong điều kiện hiếu khí, các acid amin bị vô cơ hóa tạo sản phẩm làammoniac, carbonic và nước Trong điều kiện kỵ khí lại diễn ra quá trình khử amintạo nhiều loại hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùikhó chịu như indol và scatol Khử amin có thể xảy ra theo một trong những phươngthức sau:

Các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả năng phân hủy protein:

Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens

Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S griseus

Vi nấm: Aspergillus oryzae, A flavour, A niger, Penicilium camemberti…

Vi sinh vật yếm khí :

Vi khuẩn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum

Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện :

Vi khuẩn Proteus vulgaris, Bacillus coli…

1.2.3 Quá trình Nitrate hóa

Sau quá trình amon hóa, NH3 được hình thành một phần được thực vật hấp thụ,một phần kết hợp với các hợp chất trong đất tạo thành các muối amon với ion NH4+

Một phần muối amon cũng được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ, một phần đượcoxy hóa thành nitrate Quá trình nitrate hóa bao gồm 2 giai đoạn: nitrite hóa vànitrate hóa

1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hóa

Là quá trình oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩnnitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxykhông khí và tạo ra năng lượng

NH4+ + 3/2 O2  NO2- + H2O + 2H + Năng lượngNăng lượng dùng để đồng hóa CO2 tạo ra carbon hữu cơ Enzyme xúc tác cho quátrình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vật nitrite hóa

bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira

1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hóa.

NO2- tạo thành tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn nitrate.Đây cũng là các vi khuẫn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxi hóa nitrite đểcung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa Năng lượng CO2

NO2- + ½ O2  NO3- +

Nhóm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, trong đất còn có một

số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hóa Đó là loài vi khuẩn

và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces

1.2.4 Quá trình phản nitrate

Các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử thành nitơ phân tử Quátrình này gọi là quá trình phản nitrate hóa được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhờcác vi sinh vật phản nitrate hóa Khi đó, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trongchuổi hô hấp kỵ khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào

Nhóm vi khuẩn thực hiện quá trình phản nitrate hóa phân bố rộng rãi trong

đất Thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng có Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas agilis .thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis

Trong các môi trường tự nhiên ngoài quá trình phản nitrate sinh học nói trêncòn có quá trình phản nitrate hóa học không có sự tham gia của vi sinh vật thườngxảy ra ở pH < 5.5.

1.2.5 Quá trình cố định Nitơ

Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử nitơ thành NH3 dưới tácdụng enzyme của enzyme nitrogenase của vi sinh vật Đây là quá trình quan trọngnhất để chuyển hóa nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ

Có 3 nhóm vi sinh vật có khả năng cố định nitơ: Nhóm cộng sinh với cây họđậu, nhóm sống tự do trong đất và nhóm tảo Trong đó, góp phần quan trọng nhất là

nhóm Rhizobium sống cộng sinh với cây họ đậu Cơ chế của quá trình cố định nitơ

cần enzyme nitrogenase của vi sinh vật, leghemoglobin của thực vật và năng lượng tếbào

N2 + 6e + 12ATP + 12H2O  2NH4 + 12ATP + 12P + 4H+

Nitrogenase bao gồm 2 thành phần khác nhau, một phần gồm protein và Fe,một phần gồm protein, Fe, Mo Electron của chất khử sẽ đi vào thàh phần thứ nhấtcủa nitrogenase (phần chứa protein và Fe) sau đó được chuyển sang thành phần thứhai, qua đó electronic được hoạt hóa có thể phản ứng với nitơ Nitơ cũng đi qua haithành phần của nitrogenase và được hoạt hóa Hydro được hoạt hóa nhờ các enzymecủa hệ thống hydrogenase

Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào Cuối cùng NH3 đượchình thành NH3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kiềm hãm sự họat độngcủa Nitrogenase, nó chính là yếu tố điều hòa hoạt tính của enzyme

Như vậy, có thể tóm tắt quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong tự nhiênnhư sau:

Nitrogenase

Vi khuẩn phản nitrate hóa

nitrobacter

Vi khuẩn nitrate hóa

Quá trình Cơ chất Sản phẩm Vi sinh vật tham gia

Amon hóa Hợp chất nitơ

um sporogenes, Clostridium

putrificum

-Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira, Nitrobacter, Nitrospira,

Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ

TRONG NƯỚC THẢI2.1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơhòa tan hay không hòa tan Các hợp chất vô cơ quan trọng của nitơ là NH3, NH4 ,

NO2-, NO3-

Nitơ dạng khí có được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngoài không khí vào haycòn có thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hóa Các dạng hợp chất vô cơhòa tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dướidạng hợp chất Albumine dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ biến thànhdạng đạm ammoniac (NH3) và ammoniac sẽ hòa tan vào nước hình thành NH4+ Sau

đó, NH3 và ion NH4 sẽ biến thành dạng đạm nitrite(NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạtđộng của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Thực vật có thể hấp thu nhiều dạng đạm nóitrên nhưng hấp thu NH4+ và NO3- là tốt nhất, mỗi loài thực vật ưa một dạng đạm khácnhau Một số loài vi khuẩn và tảo lại có khả năng sử dụng nitơ phân tử nhờ quá trình

cố định nitơ

Hầu hết đạm NO3- được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quátrình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy Đạm chứatrong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác Hai quá trìnhyếm khí là cố định nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đó,quá trình phản nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sông hay đất ngậpnước Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật,động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan

Hình 2.1 Chu trình nitơ trong nước

Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong môi trường nướcdiễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí Trong điều kiệnhiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các hợp chất vô cơ,giúp làm sạch môi trường nước Trong điều kiện kỵ khí, các acid amin không được

vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơkhác như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khó chịu cho thủy vực

Quá trình amon hóa protein giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòngtuần hoàn Nitơ nhờ quá trình này mà Nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon

dễ dàng được thực vật sử dụng Nhờ quá trình này mà NH3 luôn luôn được phục hồi,cung cấp cho thực vật thủy sinh Có nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào

Sông, suối, nước mưa, nước thải

có chứa Nitrate và Ammoniac

quá trình này, chủ yếu là các loài Bacillus như: B mesentericus, B.mycoide, B sustilis,…Số lượng của chúng trong thủy vực khác nhau thì rất khác nhau, thường

trong các thủy vật nước ngọt số lượng của chúng nhiều thủy vực nước măn và nước

cả nồng độ thấp), nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi trường yếmkhí với sự có mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trìnhnitrate hóa đó là quá trình phản nitrate hóa Quá trình này khử nitrate qua nitritethành NO, N2O), NH2OH, NH3 và N2

Vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hóa bao gồm bao gồm các loại kỵ

khí không bắt buộc như: Pseudomonas, Bacillus Trong điều kiện hiếu khí, chúng

oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy của không khí, còn trong điều kiện kỵ khí, chúngtiến hành oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng con đường khử hydro để chuyển hydrocho nitrate và nitrite Quá trình này không có lợi ví nó làm mất Nitơ trong thủy vật

và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2- Trong đa số sinhcảnh, vi sinh vật có thể khử nitrate thành nitrite, chứ không có thể khử tiếp thành cácdạng hợp chất khác Do đó, ở đâu có quá trình phản nitrate hóa xảy ra mạnh thì ở đó

có nhiều nitrite

Trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện

bởi các loài vi khuẩn Azotobacter như A Agile và A.chroococcum Ở sông, hồ thì

hầu như gặp chúng ở mọi nơi Tại phần lắng đọng yếm khí, quá trình cố định nitơ

phân tử được thực hiện bởi các loài Clostridium như Clostridium pateurianum Gần đây, người ta đã xác định ngoài các loài Azotobacter và Clostridium thì còn có các

loài vi khuẩn khác cũng có khả năng đồng hóa nitơ phân tử bao gồm cả vi khuẩnquang tự dưỡng lẫn dị dưỡng Tuy nhiên, ở chúng thì sự gắn kết Nitơ có hiệu quả

thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hóa một lượng nitơđánh kể, chúng chỉ có vai trò ở những phần lắng đọng yếm khí, còn trong môi trườngthoáng khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện chủ yếu bởi các loài tảo

xanh thuộc giống Nostoc, Phormidium, Calothrix, bởi vì các giống tảo này thường

rất nhiều trong các thủy vực

2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ

2.2.1 Nước thải sinh hoạt

Nguồn nước thải sinh họat gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt cá,nước từ nhà hàng, khách sạn….chiếm 52% chất hữu cơ, 48% các chất vô cơ Chúngđược thu gom vào các kênh dẫn thải Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chấtammoniac, protein, peptid, acid amin cũng các thành phần khác trong chất thải rắn

và lỏng Ngoài ra nước thải sinh hoạt có chứa một lượng các thành phần dinh dưỡngkhác rất cao Nhiều trường hợp, lượng chất dinh dưỡng này quá cao vượt quá nhucầu phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học Trong các công trình xử

lý nước thải theo phương pháp sinh học, lượng dinh dưỡng cần thiết trung bình tínhtheo tỷ lệ BOD5 : N: P là 100: 5: 1

Bảng 2.1 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt.

Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng

Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO

Nước thải sinh hoạt chứa hàm lương các chất cặn bã, các chất rắn lơ lửng(SS), các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng (N,P) Nồng độcác chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat như sau:

Bảng 2.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

Chỉ tiêu ô nhiễm Nồng độ ô nhiễm (mg/m3)

Nguồn: Hoàng Huệ – Xử lý nước thải

2.2.2 Nước thải công nghiệp

Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tớ chếbiến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành đặc biệt như chế biến mủcao su, chế biến tơ tằm, thuộc gia… Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kểhợp chất chứa nitơ, liên quan đến thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản,giết mổ và sản xuất thức ăn từ các lọai thịt, sữa, đậu…Hợp chất chứa nitơ được thải

ra lượng lớn từ các thành phần như máu, mỡ, phân cùng các mẫu thịt hòa tan vàonước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ trong môitrường và lọai sản phẩm chế biến

Nồng độ hợp chất chứa nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến đổi rấtmạnh, không chỉ theo mùa vụ mà còn cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sởchế biến thực phẩm xuất đồng thời nhiều lọai sản phẩm

Bảng 2.3 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp Nguồn Nồng độ Nitơ tổng (mg/l )

Nguồn: H R Jones Pollution control in the dairy industry London

2.2.3 Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi

Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm cho cây Trong rấtnhiều trường hợp người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụnglượng hợp chất chứa nitơ trong đó để làm phân bón cho cây trồng Tuy nhiên, lượngphân bón cây trồng không hấp thụ hoàn toàn mà một phần sẽ bị phân hủy, rửa trôivào môi trường nước Trong môi trường nước urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thànhammoniac và khí carbonic

CO(NH2)2 + H2O  CO2 + 2NH3

Nguồn nước thải phát sinh trong chăn nuôi có lưu lượng nhỏ hơn so với nướcthải sinh họat, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Nước thải từ chuồngtrại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, bùn đất, thức ăn thừa,các hợp chất chứa nitơ được thoát ra ngoài từ các chất thải rắn khi gặp nước Nướcthải chuồng trại của các lòai nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thànhphần dinh dưỡng trong phân khác nhau

Bảng 2.4 Thành phần nitơ trong phân một số loài động vật.

Nguồn: Treatment management Kluver Academic Press

2.3 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC

Giới thuỷ sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinhđộng vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao,như tôm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡngtrong nước, mức độ oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính…sẽ ảnh hưởng đến đời

sống của giới này có trong nước Nói chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trướchết sẽ không còn oxi hoà tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống củagiới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽđược cân bằng trở lại Đó là quá trình tự làm sạch của nước.

Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học, tựlàm sạch sinh học Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽnhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước Quá trình tựlàm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đó vi sinh vậtđóng vai trò quan trọng nhất Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm ba giaiđoạn

 Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật

 Khuếch tán và hấp thu các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tếbào vi sinh vật

 Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp cácvật liệu mới cho tế bào vi sinh vật

Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ và cần vai trò rất quan trọng của giớithủy sinh

- Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ Chúng

có khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên, các chất đường bột,protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷmuộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hoá học tổng hợp bị phân huỷ chậm và rất chậm (cókhi đến vài chục hoặc hàng trăm năm) Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chấtbéo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn Bản thân tếbào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật.Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡngcho tảo và các loài thực vật nổi khác

- Tảo và các loài thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có CO2

cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi Oxi phân

tử này làm giàu oxi hoà tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển

và được sử dụng vào các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các

chất hữu cơ Thực vật phù du, trong đó có tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh vàtôm cá nhỏ.

- Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v…cũngtham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vikhuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi

- Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phânhuỷ các chất hữu cơ Chúng có thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm chonước trong Chúng làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước

- Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du Cá lớn lại ăn cá bé Người ăn cá vàchất thải của người có thể lại làm bẩn nước

Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình có giới hạn, khi số lượng vi sinh vậttăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ,nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ô nhiễmnghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi toàn

bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảmlượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong môitrường nước Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tựlàm sạch Nước dần bị ô nhiễm nặng Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý nước thải ônhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước

2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI

Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường khôngnhiều Sau một thời gian, những nhóm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng củanước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số loài dần phong phú hơn

Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản

là quá trình đồng hóa và quá trình dị hóa Quá trình đồng hóa xảy ra bên trong tế bào

vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinhkhối tế bào Năng lượng cho quá trình đồng hóa được lấy từ các phân tử cao năngnhư ATP, ADP , từ quá trình dị hóa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào Quátrình dị hóa có thể xảy ra bên trong và bên ngoài tế bào vi sinh vật, là quá trình phânhủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hóa

Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường không chứa nhiều hợp chất hóa học giàunăng lượng Do đó, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bênngoài như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhóm vi sinh vật tự dưỡng quangnăng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hóa các chất ở nhóm vi sinh vật tự dưỡnghóa năng Đối với các nhóm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng

từ quá trình chuyển hóa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵkhí

Trong quá trình chuyển hóa vật chất, vi sinh vật luôn luôn ưu tiên sử dụng cácvật chất dễ chuyển hóa trước, sau đó mới sử dụng đến các vật chất khó chuyển hóahơn Do đó, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường congsinh trưởng kép

Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải

Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải

Ghi chú :

1 : Giai đoạn thích nghi ban đầu

1’: Giai đoạn thích nghi với saccharose

1’’ Giai đoạn thích nghi với tinh bột

2 : Giai đoạn tăng trưởng ban đầu

2’: Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose

2’’ Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột

3 : Giai đoạn cân bằng

4 : Giai đoạn suy vong.

A : Đường cong sinh trưởng kép

B : Đường cong sinh trưởng đơn

Hình 2.3 Quá trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật

Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải

2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI

Trong nước thải, nitơ thường tồn tại ở ba dạng: nitơ hữu cơ, ammoniac vàdạng oxy hóa (nitrite, nitrate) Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ,amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước bị ô nhiễm NH3 trong nước sẽ gây ngộ độcvới các và sinh vật trong nước Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite(NO2-) là nước bị ô nhiễm một thời gian dài hơn Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chấtnitơ ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy kết thúc Tuy vậy, các nitratechỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bịkhử thành N2O, NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí Nếu nitrate ởtrong nước cao có thể gây ngộ độc cho người

Amoniac (NH3) ở trong nước thải tồn tại dạng NH3 và NH4 ( NH4OH,

NH4NO3, (NH4)3SO4…) tùy thuộc vào pH của nước vì NH3 là một bazơ yếu NH3 và

NH4+ có vai trò thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng hóa Tính độc của NH3 cao hơn ionamon NH4 Ở nồng độ 0.01 mg/l, NH3 đã gây ngộ độc cho cá Trong nước mặt tựnhiên vùng không ô nhiễm có hàm lượng amon (<0.05ppm), nước thải công nghiệp

có hàm lượng amon 10 ÷ 100mg/l

NH3 trong nước thải là sản phẩm của quá trình amon hóa nhờ các vi sinh vật.Chúng phân hủy các hợp chất N hữu cơ, giúp làm giảm ô nhiễm chất hữu cơ trongnước, đồng thời sản phẩm NH3 là nguồn cung cấp nitơ cho một số loài khác không

có khả năng tham gia quá trình amon hóa Số lượng các vi sinh vật này trong nướcthải rất khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc và thành phần loại nước thải

NH3 và ion NH4+ sẽ được chuyển thành dạng đạm nitrite (NO2-) và nitrate(NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Các chất này là nguồn cungcấp đạm cho nguồn nước Vi khuẩn tham gia quá trình này gồm các loài:

Nitrosomonas europara, Nitrobacter, Nitrosococcus sp , Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis Vi khuẩn nitrate hóa phân bố rất ít trong môi trường nước

sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các môi trường nước giàu dinh dưỡng số lượng củachúng có nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khoảng 10 tế bào/ml nước Quá trìnhnitrate hóa chỉ xảy ra khi có mặt của oxy, nghĩa là trong môi trường thóang khí, còntrong môi trường yếm khí với sự có mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trìnhngược lại với quá trình nitrate hóa đó là quá trình phản nitrate hóa Quá trình này khửnitrate qua nitrite thành NO, N2O, NH2OH, NH3 và N2

Trong nước tự nhiên nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5mg/l Vùng bị ô nhiễm

do chất thải hoặc phân bón hàm lượng nitrate trên 10mg/l làm cho rong tảo dễ pháttriển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nước nuôi trồng thủy sản Đốivới thủy vực, quá trình phản nitrate thường không có lợi ví nó làm mất nitơ và tạothành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2- Tuy nhiên, trong xử lý nướcthải, đây lại là một quá trình quan trọng giúp loại bỏ bớt hàm lượng nitơ trong nướcthải

Hình 2.4 Chu trình Nitơ trong nước thải 2.6 HỆ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI

2.6.1 Vi khuẩn

Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có mặt trong hầu hết các loại nước thải Đối vớinước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải từ các nhà máy chế biến thịt,thủy sản, tinh bột thành phần và số lượng các loài vi khuẩn là phong phú và đađạng nhất Vi khuẩn tham gia nhiều quá trình chuyển hóa, từ các hợp chất hữu cơđến vô cơ, từ các chất dễ phân hủy đến các chất độc hại Các quá trình này nhờ hệenzyme phong phú và chuyên biệt của mỗi nhóm, mỗi loài vi khuẩn So với động vật

Sông, suối, nước mưa, nước thải

có chứa Nitrate và Ammoniac