giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 2 xử lý N,P

giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 2 xử lý N,P

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

1. GIỚI THIỆU

2. QUÁ TRÌNH LOẠI BỎ NITƠ BẰNG PHƯƠNG

PHÁP SINH HỌC

3. QUÁ TRÌNH LOẠI BỎ PHOTPHO BẰNG PHƯƠNG

PHÁP SINH HỌC

BÀI 2: XỬ LÝ NITƠ, PHOTPHO VÀ KIM

LOẠI NẶNG BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

 Sự ô nhiễm nguồn nước do hàm lượng N-NH3, N-NO3-, P trong nước dư thừa sẽ gây nên hiện tượng “phú dưỡng hoá”.

 Nguồn dinh dưỡng cho rong tảo và một số thực vật nước “bùng nổ”

 Sinh trưởng và phát triển quá độ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước sinh hoạt và các thuỷ vực nuôi trồng thuỷ sản

 N-NO3- có thể gây bệnh thiếu máu cho người ở nồng độ cao và nó

là một tiền chất của N-nitroso, Nitrosamin, có khả năng gây ung thư mạnh nhất hiện nay

 Phương pháp thực tiễn duy nhất và hiệu quả nhất là tập trung

GIỚI THIỆU

 Quá trình loại nitơ cần phải trải qua tối đa 3 giai đoạn theo thứ tự:

Ammonia hoá  nitro hoá  khử nitro hoá

2 QUÁ TRÌNH LOẠI BỎ NITƠ BẰNG

PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

2.1 Quá trình ammonia hóa

Quá trình phân huỷ protein và các amino acid theo nhiều cơ chế

ammonia hoá khác nhau, bao gồm:

khử amin theo thuỷ phân,

R–NH2 + H2O → R–OH + NH3oxi hoá,

R–CHNH2COOH + H2O → R–CO–COOH + 2 (H) + NH3khử

R–CHNH2–COOH + 2 (H) → R–CH2-COOH + NH3

và khử bão hòa

R–CH2–CHNH2–COOH → R–CH=CH–COOH + NH3

Ammonia tạo ra từ quá trình cắt urea và quá trình ammonia hoá các amino acid  các vi khuẩn đồng hoá cho quá trình tăng trưởng trong quy trình xử lý hiếu khí (tạo thành bùn thừa)

Vi khuẩn: 50% protein

tỉ lệ nitơ trong protein là 16%

 Để tổng hợp thành 1 g sinh khối vi khuẩn, lượng N-ammonia cần tiêu thụ vào khoảng 0,08 g

 Để loại bỏ lượng ammonia không cho tăng trưởng tế bào:

qua quá trình nitro hoá (1)  khử nitro hoá (2)  khí nitơ phân tử (N2) hoặc quá trình oxy hoá kỵ khí nitrite (3)

2.2 Quá trình nitrate hóa ammonia

 Nitrate hóa tự dưỡng

Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng là các vi sinh vật hiếu khí: oxy hoá ammonia thành nitrite

 Nitrate hóa dị dưỡng

Một vài loài vi khuẩn có khả năng xúc tác quá trình nitro hoá dị dưỡng của các cơ chất hữu cơ chứa nitơ:

1.3.3 Khử nitrate hóa (loại bỏ nitrate khỏi nước thải)

Vi khuẩn hiếu khí có khả năng chuyển từ cơ chế oxy hoá sang quá trình hô hấp nitrate

Quá trình hô hấp nitrate của các vi khuẩn dị dưỡng cần nguồn carbon phức hợp làm nguồn cung cấp điện tử cho quá trình khử nitrate

CH3OH + H2O  CO2 + 6H+ + 6e

-CH3COOH + 2 H2O  2CO2 + 8H+ + 8e

-Khử nitrate thành nitrite nhờ enzyme khử nitrate A gắn trên màng tế bào (a)

Enzyme khử nitrite gắn trên màng tế bào (b) xúc tác quá trình hình thành NO

Enzyme khử NO (c) và enzyme khử N2O – nito dioxit (d) tạo ra N2

 Nhiều loại vi khuẩn khử nitrate có thể sử dụng NO2–, NO hay N2O làm chất nhận điện tử cuối cùng thay thế cho nitrate

 Ngoại trừ quá trình khử nitrate dị hoá, nhiều loại vi khuẩn kỵ khí

1.3.4 Oxy hóa ammonia kỵ khí (Anamox®)

Hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí thuộc bộ

Planctomycetales là Brocardia anammoxidans và Kuenenia

stuttgartiensis

Trong quy trình Anamox:

-Ammonia bị oxi hoá  nitơ

-Nitrite đóng vai trò chất nhận điện tử

N 2 NH 4 +

NO 2

-NO

 Trong môi trường có lượng oxy giới hạn các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí là kết hợp với nhau một cách tự nhiên

Ví dụ như mặt giao giữa vùng có oxy và thiếu oxy của màng sinh học hoặc bông bùn

 Ammonia bị oxy hoá thành nitrite và đồng thời, hàm lượng oxy giảm Vi khuẩn anammox chuyển đổi nitrite và lượng ammonia còn lại thành N2

 Khi hàm lượng ammonia bị giới hạn, ái lực của các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí có thể làm cho mối cộng tác tự nhiên thay đổi trở thành cạnh tranh

Chu trình chuyển hoá Nitơ bởi vi sinh vật [2]

 QUÁ TRÌNH LOẠI PHOSPHATE BẰNG BIỆN

PHÁP TĂNG CƯỜNG SINH HỌC

3 QUÁ TRÌNH LOẠI BỎ PHOTPHO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

 Vi sinh vật  phosphate  quá trình tăng trưởng tế bào

 Trong tế bào vi khuẩn tích luỹ polyphosphate (12%), vi khuẩn không tích luỹ phosphate (1 – 3%)

 Acinetobacter sp  quá trình hô hấp β-hydroxybutyrate  thu năng

lượng cho quá trình tăng trưởng, duy trì hoạt động sống, quá trình tạo glycogen và quá trình trùng hợp phosphate hấp thu trong nước thải

 Các vi khuẩn tích luỹ polyphosphate trải qua các điều kiện môi trường kỵ khí và hiếu khí theo trình tự.

 Photpho được xử lý một phần vào tạo tế bào vsv, một phần tạo năng lượng và số khác là các chất sinh ra như acid béo hữu cơ

 10 30% photpho được khử trong quá trình khử BOD

 Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành sulfide, một lượng nhỏ sulfide cần thiết cho sự tăng trưởng nhưng sẽ gây độc cho vi khuẩn nếu tồn tại dưới dạng H2S ở hàm lượng cao

 pH kiềm nhẹ trong điều kiện kỵ khí, hầu hết sulfide kết tủa dưới dạng sulfide kim loại nặng, do đó, không gây độc cho vi sinh vật

và môi trường

4 XỬ LÝ CÁC ION KIM LOẠI NẶNG

 Một số loại vi sinh vật cũng phát triển cơ chế kháng lại các kim loại gây độc bằng cách thay đổi trạng thái oxy hoá để không làm

 Một số loài vi khuẩn, nấm men, nấm và tảo nhất định có thể tích luỹ chủ động các ion kim loại bên trong tế bào ngược gradient nồng độ

 Quy trình tích luỹ sinh học các ion kim loại phụ thuộc vào hoạt động sống và biến dưỡng của tế bào

 Quá trình hấp phụ sinh học các ion kim loại gồm các cơ chế như trao đổi ion, tạo phức, bẫy ma trận, hấp phụ bề mặt

 Sau quá trình hấp phụ sinh học hoặc loại bỏ chủ động các ion kim loại từ nước thải hoặc đất ô nhiễm, sinh khối chứa kim loại cần phải được tách biệt và đốt hoặc tái chế thông qua quá trình giải hấp hoặc tái linh động hoá các kim loại

Bảng: Các kim loại đóng vai trò chất nhận điện tử trong hô hấp

kỵ khí [1]

 Các kim loại hoá trị bốn có thể loại bỏ bằng các chất tạo phức (như EDTA) hoặc cố định trong sinh khối từ môi trường ô nhiễm

 Nấm có khả năng rửa các muối kim loại dạng hoà tan cũng như không tan, do nấm tiết ra các acid hữu cơ như acid citric, acid fumaric, acid lactic, acid gluconic,…các acid này hoà tan các muối kim loại và tạo thành phức với ion kim loại