QUÁ TRÌNH ANAMMOX VÀ ỨNG DỤNG

Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa Nitơ mới chưa từng được biết đến trước đó, cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm đã được phát hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobi Ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox) trong đó ammonium được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần chất hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử.

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐHQGHN K57 - KHMT Đề tài QUÁ TRÌNH ANAMMOX VÀ ỨNG DỤNG Nhóm thực hiện: 1. Trần Mai Liên 2. Lê Thị Thùy Linh 3. Nguyễn Hồng Nhung 4. Trần Anh Thư Các vấn đề cần tìm hiểu I. Quá trình oxy hóa kỵ khí ammonium (anammox) 1. Sự phát hiện phản ứng anammox 2. Hóa sinh học của anammox 3. Các yếu tố kiểm soát quá trình anammox 4. Định danh và phân loại vi khuẩn anammox 5. Sinh học phân tử của vi khuẩn anammox II. Các ứng dụng của quá trình anammox I.QUÁ TRÌNH OXY HÓA KỴ KHÍ AMMONIUM (ANAMMOX) I.1. Sự phát hiện phản ứng Anammox Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa Nitơ mới chưa từng được biết đến trước đó, cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm đã được phát hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobi Ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox) trong đó ammonium được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần chất hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử. Trên cơ sở tính toán nhiệt động học, Broda đã dự báo sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa ammonium bởi nitrat, nitrit và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử NH4+ + NO2-  N2 + 2H2O 5NH4+ + 3NO3-  4N2 + 9H2O + 2H+ NH4+ + 1.5O2  NO2- + 2H+ + H2O G0= -357kJ/mol G0= -297kJ/mol G0= -275kJ/mol (1) (2) (3) Trên cơ sở phát hiện vi khuẩn và phản ứng Anammox, chu trình chuyển hóa Nitơ tự nhiên có trong sách giáo khoa từ lâu đã được bổ sung một mắt xích mới. Chu trình nitơ mới có thêm mắt xích Anammox Cơ chế sinh hóa: • Cơ chế sinh hóa của anammox được đề nghị như hình dưới đây NR: enzyme khử nitrit (sản phẩm giả thiết là NH2OH); HH: hydrazine hydrolase, enzyme xúc tác tạo hydrazine (N2H4) từ amoni và hydroxylamine (NH2OH); HZO: enzyme oxy hóa hydrazine; Cytoplasm: tế bào chất Cơ chế sinh hóa quá trình Anammox Anammoxosome: một thể nằm trong tế bào chất, bao bọc bởi màng cấu tạo từ lipid ladderane Quá trình đi qua sản phẩm trung gian là N2H4. HZO sẽ xúc tác cho sự oxy hóa N2H4 thành nitơ phân tử (G0= -288kJ/mol). Các điện tử từ quá trình oxy hóa này (4e-) sẽ được vận chuyển đến cho sự khử nitrit thành NH2OH với một enzyme tạm gọi là NR (G0= -22.5kJ/mol). NH2OH sẽ tạo ra phản ứng ngưng tụ với ammonium tạo ra hydrazine mới (xúc tác bởi enzyme HH) (G0= -46kJ/mol). Chu trình xúc tác cứ thế sẽ được lặp lại. Sơ đồ phân khoang tế bào anammox Cell wall: Thành tế bào Intracytoplasm: Màng trong tế bào chất Cytoplasmic membrane: Màng tế bào chất Nucleoid: Thể nhân I.2. Hóa sinh học của Anammox:  Phương trình phản ứng: • Phản ứng Anammox là sự oxy hóa amonium bởi nitrit, phản ứng hóa học đơn giản với tỷ lệ mol NH4+ : NO2- = 1:1 như ở phương trình (1). Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR), có tính đến sự tăng trưởng khối, phản ứng Anammox được xác định với các hệ số tỉ lượng như sau: NH4+ + NO2- Anammox N2 + 2H2O Cụ thể là: NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13 H+ 1.02 N2 + 0.26 NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O Trong đó sự tạo thành lượng nhỏ nitrat từ nitrit được giả thiết là để sinh ra các đương lượng khử khi đồng hóa CO2. Nhiệt độ Các chất khoáng và dinh dưỡng pH Các yếu tố kiểm soát quá trình Anammox Ái lực giữa ammonium và nitrate Nồng độ Oxy Nồng độ nitrite Anammox hoạt động ở điều kiện nhiệt độ từ 20 – 43oC (tối ưu ở 40oC); pH từ 6.7 – 8.3 (tối ưu ở pH = 8) Ở điều kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 µmol NH4/g protein/phút (59.4 mgNH4/g protein/h) Ái lực giữa ammonium lên tới 1.4 g/l và nitrate khoảng 6.2 g/l cũng chưa làm ức chế quá trình anammox. • Nồng độ nitrite cao hơn 0.92 g/l thì quá trình bị ức chế ; ở nồng độ nitrite cao hơn 0.23 g/l trong thời gian dài (khoảng 12 h) thì hoạt tính anammox biến mất. Nhưng có thể hồi phục quá trình bằng cách thêm một lượng nhỏ bất kỳ lượng trung gian nào trong 2 loại hydroxylamin hoặc hydrazine. • Hoạt tính anammox bị ức chế hoàn toàn ở nồng độ oxy trên 0.5% bão hoà không khí. • Các chất khoáng và chất dinh dưỡng cũng làm tăng hoạt tính của anammox. Các chất đó là KHCO3, KH2PO4, FeSO4, EDTA, Na2CO3. ngoài ra còn bổ sung thêm một lượng muối canxi và magine với nồng độ 120 – 180 mg/l. I.4. Định danh và phân loại vi khuẩn anammox • Đến nay đã có 3 chi của vi khuẩn anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctoycetales. • Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, trong bùn kỵ khí phát hiện thấy vi khuẩn thuộc vào phân nhánh Planctomycete sâu và vi khuẩn đã được đặt tên là Candidatus Brocadia anammoxidans • Năm 2000, các vi khuẩn anammox được phát hiện ở hệ thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức) được xác định là mới (độ tương tự dưới 90% so với B. Anammoxidans) và được đặt tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Lần đầu tiên, vi khuẩn anammox được phát hiện trong hệ sinh thái tự nhiên là vùng nước nghèo oxy ở Biển Đen. Kết quả phân tích cho thấy vi khuẩn phát hiện được là một chi khác, và đã được đặt tên là Candidatus Scalindua sorokinii. Các loài anammox khác đã được phát hiện tại một nhà máy xử lý nước thải ở Pitsea ( Anh). Kết quả mô tả và phân tích cho thấy chúng thuộc cùng chi Scalindua, và đã được đặt tên là Candidatus “Scalindua brodae”, Candidatus “Scalindua wagneri”. Một vấn đề tồn tại đang được tiếp tục nghiên cứu là mặc dù giữa 3 chi anammox đã biết có chung tổ tiên, nhưng hơi xa nhau về mặt tiến hóa ( độ tương tự nhỏ hơn 85% dựa trên 16S rDNA); trong khi chúng có những tương đồng về mặt tuýp (phenotype). I.5 Sinh học phân tử của vi khuẩn Anammox Để nghiên cứu về mặt sinh học phân tử của vi khuẩn anammox, người ta dùng phương pháp xác định cấu trúc DNA và RNA Thí nghiệm được tiến hành dựa trên các mẫu lấy ra từ một hệ thống SBR. Nhận thấy hơn 70% sinh khối trong hệ thống được cấu tạo bởi một loại vi khuẩn có thể dễ dàng nhận ra về mặt hình dáng. Thí nghiệm Xác định cấu trúc phân tử của vi khuẩn bằng phương pháp vật lý, theo phương pháp này vi khuẩn được phân tích từ hỗn hợp bằng cách ly tâm mẫu. Kết quả cho thấy trình tự DNA của mẫu đem đi xác định rất giống với trình tự cấu trúc di truyền của Planctomycete. Loại vi khuẩn mới được tìm thấy có khả năng oxy hóa được ammonium trong điều kiện yếm khí này được đặt tên là Candidatus Brocadia Anammoxidans. Nhóm Planctomycete cho đến nay bao gồm 4 bộ với 7 loài đã được ghi nhận. Rất nhiều trình tự DNA được ghi nhận, thực tế đã chỉ ra rằng có thể có những loại khác thuộc về nhóm Planctomycete này, một trong những loại đó là vi khuẩn anammox. Trên thực tế cũng một loại vi khuẩn anammox có tên là K.struttgartiensis vừa được tìm thấy lại được cho vào một nhóm riêng biệt, vì theo cấu trúc DNA của nó có sự giống nhau vể mặt di truyền ít hơn 90% so với Brocadia Anammoxidans đã nói ở trên, điều này chứng tỏ sự khác nhau ở mức độ bộ giữa 2 loại vi khuẩn này. II.Các ứng dụng của quá trình anammox Phản ứng Anammox xảy ra giữa amoni và nitrite với tỷ lệ mol là 1:1,32. Như vậy, để áp dụng Anammox vào xử lý Nitơ về nguyên tắc có 2 cách Bổ sung nitrite vào Chuyển hóa nửa amoni ban đầu thành nitrite rồi chính nitrite sinh ra phản ứng với một nửa amoni còn lại Hướng thứ hai chính là nguyên lý cho các ứng dụng thực tế của Anammox. Như vậy, các công nghệ xử lý Nitơ mới sẽ bao gồm nitrite hóa bán phần theo sau là Anammox SHARON và quá trình kết hợp SHARON-Anammox SHARON là hệ thống được phát triển để xử lý Nitơ trong nước loại ra khi ép bùn, kết hợp nitrite hóa và khử nitrite. Dựa vào đặc điểm là ở nhiệt độ cao (trên 300oC), các vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) sẽ sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB), nguyên tắc của hệ thống này là lựa chọn thời gian thủy lực (HRT) đủ ngắn và vận hành ở nhiệt độ cao để cho NOB bị rửa trôi khỏi bể phản ứng và quá trình oxy hóa amoni chỉ dừng ở nitrite. Metanol được dùng làm nguồn carbon cho khử nitrite. So sánh quá trình SHARON với quá trình khử nitơ thông thường thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate Nitrate hóa: NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+ NH4+ + 1.5O2 = NO2- + H2O + 2H+ Tiết kiệm 25% Oxy Denitrate hóa : 6NO3- + 5CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 8HCO3- + 6H2 6NO2- + 3CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 6HCO3- + 3H2 Tiết kiệm 40% Methanol Sau đó,SHARON đã được sử dụng chỉ với chức năng nitrite hóa để kết hợp với Anammox thành một quá trình xử lý hai giai đoạn. So với hệ thống Nitrate hóa-khử nitrate truyền thống, quá trình SHARON-Anammox tiết kiệm 50% nhu cầu oxy và 100% nhu cầu bổ sung nguồn carbon hữu cơ. CANON –Quá trình loại nitơ hoàn toàn tự dưỡng qua nitrite Bước 1: Bể phản ứng kiểu SBR được nạp bùn Anammox và vận hành ở điều kiện kỵ khí với các nước thải tổng hợp chứa cả amoni và nitrite Bước 2: Oxy được cung cấp ở nồng độ giới hạn để phát triển các vi khuẩn nitrite hóa với nước thải tổng hợp chỉ chứa amoni và không chứa nitrite Kết quả là khoảng 85% Nitơ amoni được chuyển hóa thành khí Nitơ và 15% còn lại thành Nitrate. Phân tích mẫu bùn CANON bằng kỹ thuật FISH phát hiện sự có mặt của các vi khuẩn AOB thuộc chi Nitrosomonas và vi khuẩn oxy hóa amoni kỵ khí. Từ đó, cơ chế vận hành của CANON được giả thiết là sự kết hợp phản ứng nitrite hóa bán phần và phản ứng Anammox trong cùng một bể phản ứng CANON với bể phản ứng có lớp bùn nâng bởi dòng khí có thể vận hành với tải trọng Nitơ lên đến 3,7 kg-N/m3/ngày, với hiệu suất loại Nitơ là khoảng 40%. Nghiên cứu chi tiết cho thấy rằng bùn CANON đã tạo thành các hạt tập hợp và các vi khuẩn Anammox thì phân bố bên trong các hạt này. Các hạt tập hợp có kích thước khác nhau có thành phần khuẩn AOB và anammox khác nhau. oland Oland Oland cũng là một hệ xử lý Nitơ hoàn toàn tự dưỡng, có tên đầy đủ là hệ thống nitrate hóa-khử nitrate tự dưỡng trong điều kiện giới hạn oxy. OLAND được phát triển trên hệ thống SBR, theo con đường gần như ngược lại với CANON. Bùn nitrate hóa hoạt tính được cấy vào bể SBR vận hành ở điều kiện giới hạn oxy và nạp nước thải tổng hợp chứa 1000 mg NH+-N/l ở các tải trọng khác nhau. Sau một thời gian, vi khuẩn NOB được phát hiện giảm dần (cỡ 107 lần), sự mất Nitơ dưới dạng khí N2 xuất hiện và tăng dần (40% với tải trọng 0,13 kg-N/m3/ngày). (Cơ chế loại Nitơ được giả thiết do sự oxy hóa NH4+ thành N2 bởi NO2- với một enzym tương tự Hydroylamine oxidoreductase (HAO) của vi khuẩn nitrate hóa thông thường.) SNAP: SNAP Cũng là quá trình xử lý Nitơ trên cơ sở kết hợp nitrite hóa bán phần và Anammox trong một bể phản ứng, SNAP sử dụng vật liệu sợi tổng hợp acrylic làm vật liệu bám cho vi khuẩn AOB và Anammox. Bùn hoạt tính được dùng để cấy ban đầu, sau thời gian dài vận hành qua các giai đoạn nitrite hóa thì vi khuẩn Anammox sinh trưởng và kết hợp với vi khuẩn AOB cùng bám trên vật liệu chuyển hóa phần lớn amoni ban đầu thành khí Nitơ. Với vật liệu bám rất nhẹ, bề mặt riêng lớn (146.5 m2/m3) và khả năng bám cao (0.5 – 0.6 g-SS/gvật liệu), SNAP có ưu thế trong việc đưa vào xây dựng và áp dụng thực tế. Kết quả phân tích 16s rDNA cho thấy bùn SNAP chứa các vi khuẩn AOB có mức độ tương tự cao với Nitrosomonas europaea, vi khuẩn anammox rất gần với dòng KU-2 và vi khuẩn NOB tương tự Nitrospira sp. Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với bể phản ứng 5 lít và trên nước thải tổng hợp cho thấy SNAP có thể đạt hiệu suất loại bỏ Nitơ 80% với tải trọng đến 1 kg-N/m3/ngày. [...]... khuẩn anammox Trên thực tế cũng một loại vi khuẩn anammox có tên là K.struttgartiensis vừa được tìm thấy lại được cho vào một nhóm riêng biệt, vì theo cấu trúc DNA của nó có sự giống nhau vể mặt di truyền ít hơn 90% so với Brocadia Anammoxidans đã nói ở trên, điều này chứng tỏ sự khác nhau ở mức độ bộ giữa 2 loại vi khuẩn này II.Các ứng dụng của quá trình anammox Phản ứng Anammox xảy ra giữa amoni và. .. Như vậy, để áp dụng Anammox vào xử lý Nitơ về nguyên tắc có 2 cách Bổ sung nitrite vào Chuyển hóa nửa amoni ban đầu thành nitrite rồi chính nitrite sinh ra phản ứng với một nửa amoni còn lại Hướng thứ hai chính là nguyên lý cho các ứng dụng thực tế của Anammox Như vậy, các công nghệ xử lý Nitơ mới sẽ bao gồm nitrite hóa bán phần theo sau là Anammox SHARON và quá trình kết hợp SHARON -Anammox SHARON... với Anammox thành một quá trình xử lý hai giai đoạn So với hệ thống Nitrate hóa-khử nitrate truyền thống, quá trình SHARON -Anammox tiết kiệm 50% nhu cầu oxy và 100% nhu cầu bổ sung nguồn carbon hữu cơ CANON Quá trình loại nitơ hoàn toàn tự dưỡng qua nitrite Bước 1: Bể phản ứng kiểu SBR được nạp bùn Anammox và vận hành ở điều kiện kỵ khí với các nước thải tổng hợp chứa cả amoni và nitrite Bước 2: Oxy... nitrate hóa thông thường.) SNAP: SNAP Cũng là quá trình xử lý Nitơ trên cơ sở kết hợp nitrite hóa bán phần và Anammox trong một bể phản ứng, SNAP sử dụng vật liệu sợi tổng hợp acrylic làm vật liệu bám cho vi khuẩn AOB và Anammox Bùn hoạt tính được dùng để cấy ban đầu, sau thời gian dài vận hành qua các giai đoạn nitrite hóa thì vi khuẩn Anammox sinh trưởng và kết hợp với vi khuẩn AOB cùng bám trên vật... sánh quá trình SHARON với quá trình khử nitơ thông thường thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate Nitrate hóa: NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+ NH4+ + 1.5O2 = NO2- + H2O + 2H+ Tiết kiệm 25% Oxy Denitrate hóa : 6NO3- + 5CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 8HCO3- + 6H2 6NO2- + 3CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 6HCO3- + 3H2 Tiết kiệm 40% Methanol Sau đó,SHARON đã được sử dụng chỉ với chức năng nitrite hóa để kết hợp với Anammox. .. amoni và không chứa nitrite Kết quả là khoảng 85% Nitơ amoni được chuyển hóa thành khí Nitơ và 15% còn lại thành Nitrate Phân tích mẫu bùn CANON bằng kỹ thuật FISH phát hiện sự có mặt của các vi khuẩn AOB thuộc chi Nitrosomonas và vi khuẩn oxy hóa amoni kỵ khí Từ đó, cơ chế vận hành của CANON được giả thiết là sự kết hợp phản ứng nitrite hóa bán phần và phản ứng Anammox trong cùng một bể phản ứng CANON... lớn (146.5 m2/m3) và khả năng bám cao (0.5 – 0.6 g-SS/gvật liệu), SNAP có ưu thế trong việc đưa vào xây dựng và áp dụng thực tế Kết quả phân tích 16s rDNA cho thấy bùn SNAP chứa các vi khuẩn AOB có mức độ tương tự cao với Nitrosomonas europaea, vi khuẩn anammox rất gần với dòng KU-2 và vi khuẩn NOB tương tự Nitrospira sp Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với bể phản ứng 5 lít và trên nước thải... trong nước loại ra khi ép bùn, kết hợp nitrite hóa và khử nitrite Dựa vào đặc điểm là ở nhiệt độ cao (trên 300oC), các vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) sẽ sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB), nguyên tắc của hệ thống này là lựa chọn thời gian thủy lực (HRT) đủ ngắn và vận hành ở nhiệt độ cao để cho NOB bị rửa trôi khỏi bể phản ứng và quá trình oxy hóa amoni chỉ dừng ở nitrite Metanol...I.4 Định danh và phân loại vi khuẩn anammox • Đến nay đã có 3 chi của vi khuẩn anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctoycetales • Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, trong bùn kỵ khí phát hiện thấy vi khuẩn thuộc vào phân nhánh Planctomycete sâu và vi khuẩn đã... Brocadia anammoxidans • Năm 2000, các vi khuẩn anammox được phát hiện ở hệ thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức) được xác định là mới (độ tương tự dưới 90% so với B Anammoxidans) và được đặt tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis Lần đầu tiên, vi khuẩn anammox được phát hiện trong hệ sinh thái tự nhiên là vùng nước nghèo oxy ở Biển Đen Kết quả phân tích cho thấy vi khuẩn phát hiện được là một chi khác, và ... dụng trình anammox I.QUÁ TRÌNH OXY HÓA KỴ KHÍ AMMONIUM (ANAMMOX) I.1 Sự phát phản ứng Anammox Năm 199 5, phản ứng chuyển hóa Nitơ chưa biết đến trước đó, lí thuyết lẫn thực nghiệm phát Đó phản ứng... oxy hóa oxy phân tử NH4+ + NO2-  N2 + 2H2O 5NH4+ + 3NO3-  4N2 + 9H2O + 2H+ NH4+ + 1.5O2  NO2- + 2H+ + H2O G0= -357kJ/mol G0= - 297 kJ/mol G0= -275kJ/mol (1) (2) (3) Trên sở phát vi khuẩn phản ứng... 55 µmol NH4/g protein/phút ( 59. 4 mgNH4/g protein/h) Ái lực ammonium lên tới 1.4 g/l nitrate khoảng 6.2 g/l chưa làm ức chế trình anammox • Nồng độ nitrite cao 0 .92 g/l trình bị ức chế ; nồng