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

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 anammox2

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 ( An aerobi Amm onia Ox idation, 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 G0= -357kJ/mol (1) 5NH4+ + 3NO3-  4N2 + 9H2O + 2H+ G0= -297kJ/mol (2) NH4+ + 1.5O2  NO2- + 2H+ + H2O G0= -275kJ/mol (3)

3

I.QUÁ TRÌNH OXY HÓA KỴ KHÍ AMMONIUM (ANAMMOX)

I.1 Sự phát hiện phản ứng Anammox

Cơ chế sinh hóa:

• Cơ chế sinh hóa của anammox được đề nghị như hình dưới đây5

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;

Chu trình xúc tác cứ thế sẽ được lặp lại.

Cơ chế sinh hóa quá trình Anammox

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:

NH4+ + NO2- Anammox N2 + 2H2O

Nhiệt độ

pH

Ái lực giữa ammonium

và nitrate

Nồng độ nitrite

Nồng độ Oxy

Các chất khoáng và dinh dưỡng

8

Các yếu tố kiểm soát quá trình Anammox

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)

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

I.5 Sinh học phân tử của vi khuẩn

Anammox

13

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

Thí nghiệm

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

16

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

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

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

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.

Kết quả là khoảng 85% Nitơ amoni được chuyển hóa thành khí Nitơ và

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 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.)

oland

Oland

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.

SNAP:

SNAP

Kết qu

ả ng hiê

n c

ứu trong ới b m v ghiệ thí n ng phò

c AP SN ấy th cho hợp ng tổ thải

có thể đạ

t hi

ệu suấ

t li

ệu bám rấ

t n

hẹ, bề m

ặt khả và m3) m2/ 46.5 (1 ng lớn riê

năng bám

ca

o (0.

5 – 0.6 g-S S/g- ong tr thế ó ưu P c NA , S iệu) vật l

việc đưa và

o xâ

y dự

ng và áp dụng 16s ch n tí phâ ết quả K c tế thự

rD NA cho thấ

y bùn SN

AP chứa ức ó m B c AO uẩn kh vi các

độ onas osom itr với N cao ng tự tươ

eur opa ea, vi khuẩ

n ana mm

ox rất khuẩ vi và U-2 ng K với dò gần

n . sp ira osp Nitr ơng tự B tư NO