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

Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày gia tăng và đang được sự quan tâm của nhiều nghành, nhất là đối với việc ô nhiễm do nước thải. Đối với nhiều nước 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 ô nhiễm nước ngầm, nước mặt. Một trong các dạng hợp chất gây nên sự ô nhiễm của nước phải nói đến các hợp chất hữu cơ chứa itơ. Nếu như hàm lượng Nitơ có trong nước xả thải ra sông, hồ quá mức sẽ gây ra một hiện tượng ô nhiễm, điển hình là hiện tượng phú dưỡng hóa kích 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 là vấn 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 có lợi như carbonic, nước và các chất vô cơ khác. SVTH Phạm Thị Huệ 1 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.1 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, axit nitrite, cyanua… Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn. Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ được chuyển hóa thành amomniac. Ammoniac có thể được sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân bón, 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, trong dung dịch thì nó tạo ra các cation amoni (NH 4 + ). Các khác có cấu trúc tương tự là dinitơ monoxit (N 2 O), nitơ monoxit (NO) và nitơ dioxit (NO 2 ). Các oxit tiêu chuẩn hơn là dinitơ trioxit (N 2 O 3 ) và dinitơ pentoxit (N 2 O 5 ), trên thực tế là tương đối không ổn định và là các chất nổ. Các axit tương ứng là acid nitrơ (HNO 2 ) và acid nitrite (HNO 3 ), với các muối tương ứng được gọi là nitrite và nitrate. Acid nitrite là một trong ít các axit mạnh hơn hydroni. SVTH Phạm Thị Huệ 2 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ 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 chuyển hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là chuyển hóa giữa các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ. SVTH Phạm Thị Huệ Hợp chất Hóa trị Công thức hóa học Amoni/ ammoniac -3 NH 4 + / NH 3 Khí Nitơ 0 N 2 Dinitơ oxit +1 N 2 O Nitơ oxit +2 NO Nitrite +3 NO 2 - Dinitơ trioxit + 3 N 2 O 3 Nitơ dioxit +4 NO 2 Nitrate +5 NO 3 - Dinitơ pentoxit +5 N 2 O 5 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Hình 1.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ SVTH Phạm Thị Huệ 4 Vi khuẩn cố đònh N trong rể cây Vi khuẩn cố đònh trong đất Núi lửa Năng lượng tỏa ra từ công nghiệp Xác động thực vật urê Phân bón Tia sét mưa Đồng hóa Amon hóa Phân hủy (vi khuẩn, nấm) Khử nitrat Họat động con người Họat động tự nhiên Nitơ khí quyển Nhiên liệu hóa thạch Khúa Lun Tt Nghip GVHD Nguyn Hong M Hp cht nit vụ c n gin v u tiờn ht l nit t do trong khụng khớ. Nit vụ c ny chuyn húa thnh nit hu c nh quỏ trỡnh c nh nit ca vi sinh vt, thc vt. Trong c th sinh vt, nit tn ti ch yu di dng cỏc hp cht m hu c nh protein, acid amin. Khi c th sinh vt cht i lng nit hu c ny tn ti trong t. Di tỏc dng ca nhúm vi sinh vt hoi sinh thc hin quỏ trỡnh amon húa phõn gii thnh cỏc acid amin. Cỏc acid amin ny li c mt nhúm vi sinh vt phõn gii thnh ammoniac. Ammoniac tip tc c chuyn húa thnh cỏc hp cht ca nitrite, nitrate nh nhúm vi sinh vt nitrate húa. Dng nitrate c chuyn húa thnh nit phõn t nh quỏ trỡnh phn nitrate húa tr li nit t do cho khớ quyn. Nh vy, vũng tun hon nit c khộp kớn. Trong hu ht cỏc giai on chuyn húa ca vũng tun hon u cú s tham gia ca cỏc vi sinh vt khỏc nhau. Nu s hot ng ca nhúm no ú ngng li, ton b s chuyn húa ca vũng tun hon s b nh hng rt nghiờm trng. Hỡnh 1.2 Chu trỡnh nit SVTH Phm Th Hu 5 Nhieõn lieọu hoựa thaùch T bo thc vt Vi sinh vt thy phõn T bo nit hu c Phõn hy ni bo To sinh khi Hp cht nit (protein, urea) Khớ Nit Ammoniac NO 2 - Kh nitrat Cht hu c Carbon NO - 3 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ 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, CO 2 và nước. Quá trình amon hóa bao gồm 2 quá trình. 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 dinh dưỡng đạm tốt với cây trồng. Quá trình amon hóa chia làm hai giai đoạn. Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonat amoni. Sau đó, carbonat amoni được chuyển hóa thành NH 3 , CO 2 và H 2 O bằng một phản ứng hóa học thông thường. CO(NH 2 ) 2 + 2H 2 O  (NH 4 ) 2 CO 3 (giai đọan 1) (NH 4 ) 2 CO 3  2NH 3 + CO 2 + H 2 O (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 vậy khi sử dụng ure làm phân bón người ta kết hợp với bón vôi, đồng thời xới xáo làm thoáng đất. 1.2.2.2 Amon hóa protein Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật. Khi sinh vật chết đi, protein được tích lũy trong đất. Protein chứa 15 – 17% nitơ nhưng cây trồng không thể hấp thụ 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 khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase. Enzyme protease xúc tác 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 các polypeptide và oligopeptide. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đó được phân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào. Một phần các axit amin được tế bào SVTH Phạm Thị Huệ 6 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các acid amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH 3 , CO 2 và các sản phẩm trung gian khác. Với các protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhóm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H 2 S, scatol, indol hay mercaptan . Trong điều kiện hiếu khí, các acid amin bị vô cơ hóa tạo sản phẩm là ammoniac, carbonic và nước. Trong điều kiện kỵ khí lại diễn ra quá trình khử amin tạo nhiều loại hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ, rượu H 2 S và các sản phẩm bốc mùi khó chịu như indol và scatol. Khử amin có thể xảy ra theo một trong những phương thức sau: R – CH(NH 2 )COOH  R – CHCOOH + NH 3 R – CH(NH 2 )COOH +H 2 O  R – CH 2 OH – COOH + CO 2 + NH 3 R – CH(NH 2 )COOH + ½ O 2  R – CO – COOH + NH 3 R – CH(NH 2 )COOH + O 2  R – COOH + CO 2 + NH 3 R – CH(NH 2 )COOH +H 2 O  R – CO – COOH +NH 3 + 2H 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, NH 3 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+. SVTH Phạm Thị Huệ 7 Hấp thụ vào tế bào NH 3 , NH 4 + Protein Oligopeptide, polypeptide Acid amin Khử acid amin Protease peptitdase Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ Một phần muối amon cũng được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ, một phần được oxy hóa thành nitrate. Quá trình nitrate hóa bao gồm 2 giai đoạn: nitrite hóa và nitrate hóa 1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hóa Là quá trình oxy hóa NH 4 + tạo thành NO 2 - được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH 4 + bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng. NH 4 + + 3/2 O 2  NO 2 - + H 2 O + 2H + Năng lượng Năng lượng dùng để đồng hóa CO 2 tạo ra carbon hữu cơ. Enzyme xúc tác cho quá trình 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. NO 2 - tạo thành tiếp tục được oxy hóa thành NO 3 - bởi nhóm vi khuẩn nitrate. Đây cũng là các vi khuẫn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxi hóa nitrite để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa Năng lượng CO 2 . NO 2 - + ½ O 2  NO 3 - + 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. Quá trình này gọi là quá trình phản nitrate hóa được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhờ các vi sinh vật phản nitrate hóa. Khi đó, NO 3 - là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi 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 SVTH Phạm Thị Huệ 8 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ Trong các môi trường tự nhiên ngoài quá trình phản nitrate sinh học nói trên còn có quá trình phản nitrate hóa học không có sự tham gia của vi sinh vật thường xảy 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 NH 3 dưới tác dụng enzyme của enzyme nitrogenase của vi sinh vật. Đây là quá trình quan trọng nhất 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 họ đậu, 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 tế bào. N 2 + 6e + 12ATP + 12H 2 O  2NH 4 + + 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 nhất của nitrogenase (phần chứa protein và Fe) sau đó được chuyển sang thành phần thứ hai, qua đó electronic được hoạt hóa có thể phản ứng với nitơ . Nitơ cũng đi qua hai thành phần của nitrogenase và được hoạt hóa. Hydro được hoạt hóa nhờ các enzyme của hệ thống hydrogenase. Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào. Cuối cùng NH 3 được hình thành. NH 3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kiềm hãm sự họat động của 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 nhiên như sau: SVTH Phạm Thị Huệ 9 Nitrogenase Khúa Lun Tt Nghip GVHD Nguyn Hong M Protein NH 3 NO 2 - NO 3 - NO 3 - NO 3 - NO N 2 O N 2 SVTH Phm Th Hu 10 Quaự trỡnh quang hụùp cuỷa caõy Leghemoglobin Nitrogenaza N 2 NH 3 ATP e e Vi khun phn nitrate húa Phõn hy nitrosomonas nitrobacter Vi khun nitrate húa [...]... 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 vơ cơ Chúng được thu gom vào các kênh dẫn thải Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất ammoniac, protein, peptid, acid amin cũng các thành phần khác trong chất thải. .. Q trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải 2.5 Q TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI Trong nước thải, nitơ thường tồn tại ở ba dạng: nitơ hữu cơ, ammoniac và dạng oxy hóa (nitrite, nitrate) Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước bị ơ nhiễm NH3 trong nước sẽ gây ngộ độc với các và sinh vật trong. .. dưỡng hóa năng Đối với các nhóm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ q trình chuyển hóa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí Trong q trình chuyển hóa vật chất, vi sinh vật ln ln ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hóa trước, sau đó mới sử dụng đến các vật chất khó chuyển hóa hơn Do đó, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong... nguồn nước 2.4 Q TRÌNH CHUYỂN HĨA VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường khơng nhiều Sau một thời gian, những nhóm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số lồi dần phong phú hơn Q trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai q trình cơ bản là q trình đồng hóa và q trình dị... vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất Như vậy, q trình tự làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn  Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật  Khuếch tán và hấp thu các chất ơ nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật  Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật Các giai đoạn... và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hồ tan của các chất trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khống có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng Q trình phân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển... LÝ NƯỚC THẢI 3.1.1 Ngun tắc Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải Q trình hoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khống hố và trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước Các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất. .. Cố định đạm NO2 NO3 N2O N2 Vi khuẩn + Sinh trưởng Thực vật phù du Sinh trưởng NO2 Nitrate hóa Động vật phù du Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy 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 với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải từ các nhà máy chế biến thịt,... denitrificans Cố định N Nitơ NH3 Rhizobium CHƯƠNG 2 11 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI 2.1 Q TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC Trong mơi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vơ cơ, hữu cơ hòa tan hay khơng hòa tan Các hợp chất vơ cơ quan trọng của nitơ là NH 3, NH4+, NO2-, NO3- Nitơ dạng khí có được... NO2-) Một phần hớp chất chứa nitơ được vi sinh vật hấp thụ để xây dựng tế bào, thành phần hợp chất nitơ trong nước thải khi qua xử lý bậc hai là nitrate Đối với nước thải sinh hoạt, q trình xử lý thứ cấp chỉ loại bỏ khơng q 30% tổng Nitơ trong nước thải Tiến hành oxy hóa ammoniac, khử nitrate trong hệ thống xử lý nước thải khi có mặt chất hữu cơ phân hủy sinh học là tổ hợp các q trình hiếu khí, thiếu . 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ Nitơ là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các. 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