NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NUỚC THẢI SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU – CÔNG TY SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU KHẢI HOÀN BẰNG QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA BÁN PHẦN/ANAMMOX

HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước HZO Hydrazine oxidizing enzyme Enzyme oxy hóa hydrazine vi khuẩn Anammox NIR NR Nitrite reductase Enzyme khử nitrit vi khuẩn Anammox NOB N

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

**********

LÊ QUANG VINH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NUỚC THẢI SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU – CÔNG TY SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU

KHẢI HOÀN BẰNG QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA BÁN

PHẦN/ANAMMOX

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 7/2010

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được gửi lời chân thành cảm ơn đến những người đã có rất nhiều giúp đỡ cho tôi

để có thể hoàn thành đề tài này:

 ThầyLê Công Nhất Phuơng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo về kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian tiến hành đề tài để có thể tiến hành hoàn thành đề tài

 Phòng thí nghiệm thuộc viện sinh học nhiệt đới đã tạo điều kiện để tôi có thể tiến hành thí nghiệm với các dụng cụ cần thiết

 Những thành viên trong lớp DH06MT đã đóng góp những kiến thức và kinh nghiệm cần thiết cho quá trình tiến hành đề tài

 Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các anh chị làm việc tại phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện thuận lợi và chia sẽ khó khăn trong lúc thực hiện đề tài

Do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế nên đề tài không thể tránh nhiều sai sót không đáng có Rất mong nhận được sự góp ý quý giá của quý thầy cô và bạn bè

để đề tài có thể hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Mục lục Trang

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC ix

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về nước thải cao su 3

2.1.1 Thành phần, tính chất mủ cao su 3

2.1.2 Giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải cao su trên thế giới 4

2.1.3 Thống kê về công nghệ xử lý nước thải tại một số công ty cao su ViệtNam 6

2.2 Giới thiệu về công ty Khải Hoàn 9

2.3 Phương pháp xử lý nước thải chứa ammoni 10

Chương 3 MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

3.1 Vật liệu và mô hình 36

3.1.1 Chất nền 36

3.1.2 Mô hình và thiết bị 36

3.2 Vận hành hệ thống 38

3.3 Phương pháp phân tích 39

3.4 Quy trình thực nghiệm 39

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

4.1 Thí nghiệm 1:thí nghiệm với lưu lượng 10l/ ngày 40

4.1.1 Chỉ tiêu pH 41

4.1.2 Chỉ tiêu amoni (N-NH4) 42

4.1.3 Chỉ tiêu COD 42

4.2 Thí nghiệm 2: kết quả thí nghiệm với lưu lượng 15l/ ngày 43

4.2.1 Chỉ tiêu pH 43

4.2.2 Chỉ tiêu amoni (N-NH4) 44

4.2.3 Chỉ tiêu COD 45

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Con đường chuyển hóa của quá trình nitrát hóa – khử nitrát 16

Hình 2.2 Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ 16

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của vi khuẩn oxy hóa ammonium 19

Hình 2.5 Cấu trúc vi khuẩn Anammox 22

Hình 2.6 Hình thái học của tế bào Anammox và cơ chế sinh hóa của quá trình 24

Hình 2.7 Sinh khối của vi khuẩn Anammox 24

Hình 2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH đến hoạt động của vi khuẩn Anammox 25

Hình 2.9 Lớp màng sinh học trong quá trình Canon 31

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Thành phần hoá học và vật lý của cây cao su Việt Nam 3

Bảng 2.1 Thống kê về công nghệ xử lý nước thải tại một số công ty cao su Việt Nam 6

Bảng 2.2 Hiệu suất các quá trình hóa lý xử lý nitơ 12

Bảng 2.4 Các thông số của vi sinh vật oxy hóa N-NH4 hiếu khí và kỵ khí 27

Bảng 2.5 Những ưu điểm và hạn chế khi áp dụng quá trình Anammox 28

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TKN : Tổng số Kjeldahl Nitơ hay Tồng nitơ hữu cơ

Enzyme oxy hóa ammonium (vi khuẩn Nitrosomonas) Anammox Anaerobic ammonium oxidation

Quá trình oxy hóa ammonium kỵ khí AnAOB Anaerobic oxidizing bacteria

Vi khuẩn oxy hóa kỵ khí AOB Ammonium oxidizing bacteria

Vi khuẩn oxy hóa ammonium CANON Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite

Quá trình loại nitơ hoàn toàn tự dưỡng thông qua nitrit COD Chemical oxygen demand

Nhu cầu oxy hóa học Demon Deammonification

HRT Hydraulic retention time

Thời gian lưu nước HZO Hydrazine oxidizing enzyme

Enzyme oxy hóa hydrazine (vi khuẩn Anammox) NIR (NR) Nitrite reductase

Enzyme khử nitrit (vi khuẩn Anammox) NOB Nitrit Oxydizing Bacteria

Vi khuẩn oxy hóa nitrit OLAND Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification Denitrfication

Nitrát hóa-Khử nitrát tự dưỡng trong điều kiện ôxy hạn chế

RBC Rotating biological contactor

Đĩa quay sinh họcSBNR Short-cut biological nitrogen removal

Loại nitơ bằng đi tắt sinh học SBR Sequencing batch reactor

Thiết bị hoạt động theo mẻ SHARON Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over

Nitrite Loại ammonium tốc độ cao một bậc thông qua nitrite

SNAP Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial

nitritation Loại nitơ một bậc bằng cách áp dụng quá trình Anammox và quá

trình nitrít hóa bán phần SRT Sludge retention time

Thời gian lưu bùn

SS Suspended solids

Chất rắn lơ lửng UASB Upflow anaerobic sludge blanket

Bể kỵ khí có lớp bùn chảy ngược VSS Volatile suspended solids

Chất rắn bay hơi

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC Phụ lục I Phương pháp đo dùng trong thí nghiệm

Phụ lục II mô hình thí nghiệm

Phụ lục III Tình hình nghiên cứu và ứng dụng quá trình Anammox Phụ lục IV Bảng kết quả chạy mô hình

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cần thiết của đề tài

Với nhu cầu ngày càng tăng cũa thị trường thì quy mô sản xuất găng tay y tế cũng tăng theo Bên cạnh lợi ích mang lại thì việc sản xuất găng tay cũng gây ra những vấn

đề đáng quan tâm về môi trường.nước thải của quá trình sản xuất mang đặc trưng của nước thải cao su với nồng độ amoni khá cao, COD khá thấp, rất khó xử lý

Hiện nay đã có rất nhiều công trình xử lý nước thải cao su tuy nhiên với chi phí xây dựng HTXL nước thải kiểu cũ tương đối cao, chiếm nhiều diện tích gây ảnh hưởng đến chi phi thành phẩm, từ đó đã có rất nhiều nghiên cứu để đưa ra mô hình XLNT đạt hiệu xuất cao chi phí vận hành tương đối thấp Và công nghệ Anamox đã được chú ý, là mục tiêu nghiên cứu của các nhà môi trường

1.2 Ý nghĩa khoa học, tính thực tiễn của luận văn

 Nội dung nghiên cứu trong luận văn không chỉ áp dụng để xử lý nước thải Công

ty sản xuất găng tay cao su mà còn tìm hiểu đặc tính và phương pháp phù hợp xử lý loại nước thải có hảm lượng amoni cao và COD thấp Do sự hạn chế về thời gian nên Luận văn và điều kiện thí nghiệm chỉ giới hạn trong tìm hiểu về nước thải của sản xuất găng tay cao su

 Quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn được thực hiện trực tiếp trên nước thải nhân tao với các chỉ tiêu tương ứng với nước thải tại công ty Khải hoàn bằng mô hình tại phòng thí nghiệm tại Viện sinh học nhiệt đới nên luận văn có tính thực tế và sự phù hợp

 Việc phân tích các chỉ tiêu được thực hiện bằng các phương pháp tiêu chuẩn và

có sự theo dõi của cán bộ hướng dẫn nên có độ tin cậy cao

1.3 Mục đích và nội dung luận văn

1.3.1 Mục đích

 Xác định các điều kiện để đạt được hiệu quả cao nhất trong quá trình xử lý

1.3.2 Nội dung

 Tiến hành xây dựng mô hình, lấy mẫu tại công ty sản xuất, pha mẫu nhân tạo với các thông số như mẫu thực

 Tiến hành thu mẫu từ mô hình mỗi ngày, phân tích các chỉ tiêu

 Xác định hiệu quả xử lý nitơ tối đa mà mô hình có thể xử lý

1.4 Giới hạn của đề tài

 Chỉ tiến hành được với nước thải của quá trình sản xuất găng tay cao su

 Kết quả được thu từ mô hình nghiên cứu vận hành tại viện sinh học nhiệt đới

 Chỉ nghiên cứu với các chỉ tiêu phân tích : pH, COD, NH4+ , NO2- , NO3

-Chương 2 TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về nước thải cao su

2.1.1 Thành phần, tính chất mủ cao su:

2.1.1.1 Thành phần hóa học của mủ cao su

Mủ từ cây cao su Heveabrasiliensis là một huyền phù thể keo, chứa khoảng 35% cao

su Cao su này là một Hydrocacbon có cấu tạo hoá học là 1, 4 – sis –polyisopren, có mặt trong mủ cao su dưới dạng các hạt nhỏ được bao phủ bởi một lớp các phospholipid và protein Kích thước các hạt nằm trong khoảng 0,02µm đến 0,2µm Nước chiếm khoảng 60% trong mủ cao su và khoảng 5% còn lại là những thành phần khác của mủ, gồm có khoảng 0,7% là chất koáng và khoảng 4,3% là chất hữu cơ

Mủ cao su là hỗn hợp các cấu tử cao su nằm lơ lửng trong dung dịch gọi là nhũ thanh hoặc serium Hạt cao su hình cầu có đường kính d < 0,5 µm chuyễn động hỗn loạn (chuyễn động Brown) trong dung dịch Thông thường 1 gram mủ có khoảng 7,4.1012 hạt cao su, bao quanh các hạt này là các protein giữ cho latex ở trạng thái ổn định

Cấu trúc hoá học của cao su tự nhiên (cis-1,4-polyisoprene):

- Khối lượng riêng: 913 kg/cm³

- Nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg): -70 oC

- Hệ số dãn nở thể tích: 656.10-4 dm³/oC

- Nhiệt dẫn riêng: 0,14 w/m oK

- Nhiệt dung riêng: 1,88 kJ/kg oK

- Nửa chu kỳ kết tinh ở -25oC: 2÷4 giờ

- Thẩm thấu điện môi @1000Hz/s: 2,4÷2,7

- Tang của góc tổn thất điện môi: 1,6.10-3

- Điện trở riêng:

+ Crếp trắng: 5.1012

+ Crếp hong khói: 3.1012

2.1.2 Giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải cao su trên thế giới

 Nhà máy RPISL pilot factory: sản phẩm sản xuất đế giày, COD 4000mg/l, tải trọng

20m 3 / ngày

 Hoạt động: bình thường, đầu tư thấp, chi phí vận hành thấp

 Ưu điểm: tải trọng phân hủy hữu cơ cao, thu hồi năng lượng, sinh ra ít bùn

 Nhược điểm: sinh ra mùi hơi, khĩ vận hành do mức độ cố định vi sinh thấp, mật độ vi sinh chưa cao, bị rửa trơi nhiều

 Nhà máy Hanwell:sản phẩm tổng hợp, COD 2000–4000mg/l, tải trọng 50m 3 /ngày

 Mương oxi hĩa: là mương dẫn dạng vịng cĩ sục khí để tạo dịng chảy trong mương đủ xáo trộn bùn hoạt tính

 Ưu điểm: Mương oxi hĩa cĩ thể kết hợp để xử lý nitơ và khử COD Hiệu qủa xử lý 70 - 90% COD

 Khuyết điểm: hệ thống hoạt động tốt nhiều năng lượng, chi phí vận hành cao Hệ thống hoạt động khơng ổn định, khả năng chịu sốc tải thấp nên khơng phù hợp với điều kiện xử lý nước thải cao su Việt Nam Địi hỏi cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng Mặt bằng cơng trình lớn và thiết bị đắt tiền

 Nhà máy Kiriporuwa:sản phẩm đế giày,COD 4000 mg/l,tải trọng 400 m 3 /ngày

 Hiệu quả xử lý tốt, chi phí đầu tư trung bình

 Nhà máy Eheliyagoda: sản phẩm đế giày, COD 2000 – 4000 mg/l

 Hiệu qủa xử lý: kém Chi phí đầu tư cao

2.1.3 Thống kê cơng nghệ xử lý nước thải tại một số cơng ty cao su Việt Nam

Bể kỵ khí Bùn hoạt Lắng Lọc cát

lý khác nhau: bể sục khí, hồ ổn định, bể tuyển nổi, bể kỵ khí lớp bùn lơ lửng, bể làm thoáng, bể lọc sinh học và kết hợp

Bảng 2.1:Thống kê công nghệ xử lý nước thải tại một số công ty cao su Việt Nam STT Tên nhà máy Hệ thống công nghệ

1 Lộc Ninh Bể gạn mủ – Bể tuyển nổi – Bể luân phiên

2 Suối rạt Bể gạn mủ – Hồ Kỵ khí –Hồ sục khí –Hồ tùy chọn – Hồ lắng

3 Phước Bình Bể gạn mủ - Hồ Kỵ khí – Hồ sục khí - Hồ lắng

4 Bố lá Bể tuyển nổi–Bể gạn mủ –Hồ kỵ khí –Hồ tuỳ chọn –Hồ lắng

5 Cua Pari Bể gạn mủ –Bể điều hòa –Hồ kỵ khí –Hồ tùy chọn – Hồ lắng

6 Dầu Tiếng Bể gạn mủ – hồ sục khí – Hồ lắng

7 Bến Súc Bể gạn mủ–bể tuyển nổi –Hồ sục khí –hồ tùy nghi –Hồ lắng

8 Tân biên Bể gạn mủ – Bể tuyển nổi – UASB – Bể sục khí – Bể lắng –

Hồ ổn định

9 Vên vên BỂ gạn mủ – Bể kỵ khí tiếp xúc – bể tiếp xúc – Bể lắng

10 Bến củi Bể gạn mủ – Hồ kỵ khí – hồ tùy chọn – Hồ lắng -

11 Hàng Gòn Bể gạn mủ – Hồ kỵ khí – Hồ tùy chọn – Hồ lắng

12 Cẩm Mỹ Bể gạn mủ – bể điều hòa – bể thổi khí – bể lắng

13 Hòa Bình Bể gạn mủ – Bể điều hòa – Bể tuyển nổi – Bể thổi khí – bể lọc

sinh học – bể lắng – bể lọc sinh học 2 – Bể lắng

14 Xà Bang Bể gạn mủ – Bể tuyển nổi – hồ sục khí – hồ lắng – bể lọc sinh

học – hồ chứa

 Các công nghệ xử lý nước thải cao su phổ biến tại VN và ưu nhược điểm

 1.Nhà máy cao su Phú Riềng

chắn rác Bể lắngcát Bể điểuhoà Trạmbơm Bể tuyểnnổi vách ngănBể trộn

Bể UASB

Hồ thổikhíHồ lắng

Ngăn

thu khí

Bể phaxút

 Ưu điểm:

-Số cơng trình đơn vị khơng quá nhiều và phức tạp

-Thích hợp cho cơng trình xử lý nuớc thải từ sản xuất mủ tạp vì ở đĩ cĩ nhiều cát và chất rắn, cần dung song chắn rác

-Tận dụng được nguồn khí từ UASB vào việc chạy các nồi hơi hay các việc khác -Nước thải ra đã được trung hồ và gan sạch mủ

 Nhựợc điểm:

-Chỉ thích hợp cho nhà máy cao su sản xuất mủ tạp vì lượng N, P và BOD khơng quá cao như mủ nước

-Khơng cĩ Aerotank, chưa xử lý được hồn tồn BOD và COD triệt để

-Với đặc thù nuớc thải cao su mang tính ơ nhiễm hữu cơ cao bởi nồng độ N và P, cơng trình này chưa đủ khả năng đưa nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B

 Nhà máy cao su Lộc Ninh

Bể gạnmủ Bể gom Bể tuyểnnổi Bể điềuhoà UASBBể

Hồ hoànthiện

Máy épbùn Bể nénbùn Bể chứabùn Bể lắng2 Aerotant

-Tận dụng được lựơng mủ để tuần hồn, tiết kiệm

-Phù hợp cho xử lý nứơc thải từ sản xuất cao su tạp

-Lượng bùn được nén ép và tận dụng làm phân bĩn, làm sạch mơi trường

-Thiết kế đơn giản, ít tốn kém

2.2 Giới thiệu về công ty Khải Hoàn

Tên công ty: Công ty cổ phần Khải Hoàn

Địa chỉ: Ấp Cầu Sắt, xã Lai Hưng, Huyện Bến Cát, Tỉnh Bình Dương

Ngành nghề kinh doanh: chuyên sản xuất găng tay y tế

Quy trình sản xuất hiện tại của công ty:

Nước thải từ nhà máy chủ yếu phát sinh từ khâu tẩy rửa khuôn, vệ sinh thiết bị

2.3 Phương pháp xử lý nước thải chứa ammoni

2.3.1 Ammoni trong nước thải

Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật và trong thành phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa Đồng thời nó cũng tồn tại ở rất nhiều dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên Nguyên tố nitơ

có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử N3- đến dạng oxy hóa sâu N5+ Hợp chất nitơ trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng N-NH4/N-NH3, sản phẩm của quá trình thuỷ phân các hợp chất có chứa nitơ xảy ra rất nhanh

Quá trình amôn hóa (ammonification) được coi là bước đầu tiên của quá trình xử lý nước thải chứa nitơ Đa phần các hợp chất chứa nitơ tồn tại ở dạng amino nitrogen (urea, amin, các axit amin và protein) và hợp chất dị vòng (acid nucleic) Sự phân giải protein và phân hủy các axit amin để giải phóng nitơ dạng ammonia thông qua nhiều cơ chế của quá trình amôn hóa như thủy phân ,phân hủy amin bằng quá trình oxy hóa, phân hủy amin bằng quá trình khử và phân hủy amin bằng quá trình tạo liên kết không bão hòa Sự tồn tại của nitrit và nitrat trong nước thải chưa xử lý gần như là không có hoặc rất ít

Ammonia trong môi trường nước gồm hai dạng chủ yếu là ion ammonium (NH4+)

và ammonia tự do hay ammonia không bị phân ly (NH3) Do bản chất là một bazơ yếu nên

nó thường ở dạng cân bằng sau:

NH3 + H+  NH4+

NH3 + H2O  NH4+ + OH-

Với:

]NH[

]H][

2.3.2 Phương pháp xử lý nước thải chứa ammoni

2.3.2.1 Phương pháp hóa lý

Bảng 2.2 Hiệu suất các quá trình hóa lý xử lý nitơ

Các hợp chất nitơ Hiệu quả khử

TKN (%) Nitơ hữu cơ NH 3 /NH 4 + NO 3 -

Phương pháp hóa lý bao gồm nhóm phương pháp hóa học (khử bằng clo, keo tụ hóa học, hấp phụ than hoạt tính, trao đổi ion) và phương pháp vật lý (lọc, đuổi khí, điện ly, thẩm thấu ngược) Các quá trình hóa lý được áp dụng rất hạn chế Chúng thường có công suất xử lý hay quy mô hệ thống xử lý nhỏ, có nhiều vấn đề khi vận hành và duy trì hệ thống

nhóm thực vật có thể dùng trong xử lý nước thải Cơ chế xử lý nitơ và photpho ở hệ thực vật này là hấp thu và tương tác giữa chúng với khu hệ vi sinh vật trong môi trường Sử dụng hệ thực vật thuỷ sinh để xử lý nước thải là kỹ thuật xử lý có giá thành thấp, nhưng cần diện tích rất lớn Khi áp dụng hệ thực vật thủy sinh vào quá trình xử lý nước thải, người ta thường áp dụng vào công đoạn xử lý thứ cấp nhằm tăng chất lượng nguồn thải hoặc sử dụng lại cho tưới tiêu

B) Quá trình đồng hóa

Do nitơ là một chất dinh dưỡng nên các vi sinh vật có mặt trong các hệ thống xử lý

sẽ đồng hóa ammonia và chuyển hóa chúng thành sinh khối tế bào Trong thành phần tế bào vi khuẩn ước tính có khoảng 50% protein với hàm lượng nitơ trong đó khoảng 16%

Do đó để tổng hợp 1g sinh khối vi khuẩn cần khoảng 0,08g ammonia Một phần ammonia

sẽ được phóng thích trở lại nước thải khi các vi sinh vật chết và bị phân hủy

C) Quá trình nitrat hóa - khử nitrat truyền thống

Các hệ thống xử lý nitơ truyền thống dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra nếu như nitơ tồn tại dưới dạng nitơ của muối ammonium Quá trình nitrat hóa được thực hiện với sự tham gia của các vi khuẩn nitrat hóa Hiện nay, vi khuẩn nitrat hóa có rất nhiều tên gọi dựa từ nguồn carbon và năng lượng tiêu thụ

Quá trình nitrat hóa là sự chuyển hóa ammonium thành nitrat bởi hoạt động của vi sinh vật Quá trình này được thực hiện bởi 2 loại vi sinh vật:

- Chuyển hoá ammonium thành nitrit: Nitrosomonas (N europasa, N oligocar bogenes)

oxy hóa ammonium thành nitrit thông qua hydroxylamin NH2OH Một số vi sinh vật

khác tham gia oxy hóa ammonium là Nitrosococcus, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira:

2 NH4+ + O2 = 2 NH2OH + 2 H+

NH4+ + 1,5 O2 = NO2- + H2O + 2 H+ + 275 KJ

- Chuyển hóa nitrit thành nitrat: Nitrobacter (N agilis, N.winogradskyi) Những

vi khuẩn khác oxy hóa nitrit là Nitrospira và Nitrococcus

Sự oxy hóa ammonium thành nitrit và sau đó thành nitrat là quá trình sinh năng lượng Vi sinh vật dùng năng lượng này để đồng hóa CO2 Nguồn carbon cần cho vi khuẩn nitrat là CO2, HCO3, CO32- Sự hiện diện của oxy và lượng kiềm là để trung hòa ion H+trong quá trình oxy hóa sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa

Vi sinh vật tham gia phản ứng thường gọi là các vi khuẩn oxy hóa ammonium

(Ammonium Oxidizing Bacteria - AOB), chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas

và một số chi khác như Nitrosococcus, Nitrosospria, Nitrosolobus, Nitrosovibrio Tương

tự, các vi khuẩn NOB (Nitrit Oxydizing Bacteria) tham gia phản ứng chủ yếu là vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, và một số chi khác như Nitrospina, Nitrococcus, và Nitrospira Quá trình khử nitrat có sự tham gia của rất nhiều loài vi khuẩn tùy nghi Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa trị của nguyên tố nitơ từ +5 về +3, +2, +1 và 0:

NO3-  NO2-  NO  N2O  N2

Phản ứng tổng thể của giai đoạn khử nitrat sử dụng metanol làm chất nhận điện tử kèm theo sự tổng hợp tế bào

NO3- + 1,08 CH3OH + 0,24 H2CO3  0,056 C5H7NO2 + 0,47 N2 +

1,68 H2O + HCO3

-Từ phương trình phản ứng trên cho thấy để khử 1g nitrat cần 2,86g chất hữu cơ tính theo COD và thu được 4,35g HCO3- Lượng sinh khối thu được từ quá trình nitrat nằm trong khoảng 0,46 - 0,69 g/g tính theo chất hữu cơ

Các loài vi khuẩn tham gia quá trình khử nitrat

Methanonas Moraxella Neisseria

Paracoccus Propionicbacteriu Pseudomonas Rhizobium Rhodopseudomon Spirillum

Thiobacillus Xanthomonas

Hai giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat xảy ra với hai điều kiện ngược nhau: Hiếu khí – thiếu khí, tự dưỡng – dị dưỡng Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm soát quá trình của hệ thống xử lý nitơ truyền thống trở nên phức tạp Trong khi ở giai đoạn nitrat hóa cần duy trì DO tối thiểu là 2 mg/L thì ở giai đoạn khử nitrat phải khống chế DO dưới 0,5 mg/L

Hình 2.1 Con đường chuyển hóa của quá trình nitrát hóa – khử nitrát

Bước 1, 2, 3, 4: quá trình nitrát hóa

Bước 5, 6, 7, 8: quá trình khử nitrát

Một hướng cải tiến khác nhắm vào sự thay đổi con đường chuyển hóa nitơ Ví dụ

điển hình là loại nitơ bằng cách “đi tắt” sinh học (SBNR), tức là khử nitrit (khử nitrit thành

nitơ phân tử) thay cho khử nitrat nhằm giảm bớt nhu cầu oxy để đưa nitrit trở về nitrat và nhu cầu carbon hữu cơ để khử nitrat thành nitrit rồi thành khí N2 Hệ thống SNBR cho phép giảm 25% nhu cầu oxy và khoảng 40% nhu cầu carbon hữu cơ và sinh ra ít bùn hơn

Bên cạnh việc xử lý ammonium dựa vào phương pháp nitrat hóa, khử nitrat truyền thống tốn kém chi phí trong công nghệ xử lý nước thải; việc phát hiện một hướng đi mới – oxy hóa kỵ khí ammonium - ANAMMOX, đã tạo nên một làn sóng mới trong nghiên cứu

và ứng dụng các công nghệ xử lý nước thải sử dụng loại vi khuẩn này Vi khuẩn Anammox

sử dụng 2 loại nitơ: ammonium và nitrit; do đó, nitrat hóa bán phần với sự tham gia của vi

khuẩn Nitrosomonas là một bước quan trọng trong quá trình xử lý nước thải chứa nitơ bằng

Cố định đạm đồng hóa Nitrit hóa

Anammox Pha khí pha lỏng

Hình 2.2 Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ

phản ứng Anammox

2.3.3 Vi khuẩn Nitrosomonas

Vi khuẩn oxy hóa ammonium (AOB – ammonium oxidizing bacteria) được phân lập

lần đầu tiên vào cuối thế XIX (Frankland, 1890; Winogradsky, 1890) Mặc dù nhà khoa học

Winogradsky liên tục nghiên cứu, tìm hiểu hoạt động sinh lý của AOB và đã chỉ rõ AOB là

vi khuẩn Gram âm (G-), hóa dưỡng vô cơ và dự đoán rằng có rất nhiều loài tham gia quá trình oxy hóa ammonium, nhưng mãi cho đến những năm cuối thập kỉ 60 của thế kỷ trước

thì nhiều loài mới của AOB mới được phân lập (Watson, 1965; Watson et al, 1971 a,b,c;

Harms et al, 1976; Jones et al, 1988; Koops et al, 1990, 1991)

Trong quá trình nghiên cứu AOB các nhà khoa học nhận thấy rằng khi tiến hành phân lập AOB từ các nguồn nước thải thường chỉ chủ yếu phân lập được Nitrosomonas

Nitrosomonas là loài hóa dưỡng bắt buộc, oxy

hóa NH4+ thành NO2-, dùng quá trình cố định CO2 để

đáp ứng nhu cầu về năng lượng và nguồn thức ăn

carbon Hợp chất carbon có thể đồng hóa ở một giới

hạn và có thể kích thích tế bào tự dưỡng phát triển

2.3 3.1 Cơ chế phản ứng

Đầu tiên ammonium được thủy phân thành

hydroxylamine nhờ enzyme AMO (ammonium

monooxygenase) Sau đó hydroxylamine được oxy

hóa thành nitrit nhờ enzyme HAO (hydroxylamine

Hydroxylamine được oxy hóa không cần oxy sẽ tạo ra 4 điện tử, trong đó 2 điện tử

sẽ được chuyển cho phản ứng , các điện tử còn lại sẽ dùng cho chuỗi hô hấp Tổng quát quá trình oxy hóa hydroxylamine thể hiện qua

Tổng hợp tất cả các phản ứng trên, ta có phản ứng chung nhất của toàn bộ quá trình

oxy hóa ammoni bằng phương pháp sinh học của AOB

Quá trình này sinh ra năng lượng và được vi khuẩn sử dụng cho hoạt động sống của chúng

2.3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas

a) Nhiệt độ

Thông thường, khi nhiệt độ tăng lên thì tốc độ sinh trưởng tăng Nhiệt độ tối ưu cho

hoạt động của các vi khuẩn nitrat hóa hay vi khuẩn AOB không thấp hơn 15oC và hoạt tính của chúng tăng khi nhiệt độ tăng lên tối đa khoảng 35oC, sau đó giảm dần khi nhiệt độ tiếp tục tăng Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa phân lập được các vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng từ các môi trường có nhiệt độ cao và họ tin

rằng các vi khuẩn nitrát hóa tự dưỡng không thể

sống trong hệ thống có nhiệt độ vận hành trong

- Vi khuẩn ngừng hoạt động khi nhiệt độ > 450C hoặc < 5oC

Nhiệt độ có ảnh hưởng khác nhau lên tốc độ phát triển của các vi khuẩn AOB và vi khuẩn NOB Chỉ ở nhiệt độ trên 25oC các vi khuẩn AOB mới cạnh tranh có hiệu quả với các vi khuẩn NOB Nếu với điều kiện này cộng với thời gian lưu thủy lực hoặc thời gian lưu tế bào ngắn, các vi khuẩn NOB có thể bị rửa trôi một cách có chọn Sự cạnh tranh có chọn lọc này của các vi khuẩn NOB là cơ sở lý luận chính của quá trình SHARON

b) pH và độ kiềm

Hầu hết các vi khuẩn nitrat hóa có pH tối ưu nằm trong khoảng 7,5-8,0 và có thể

phát triển trong phạm vi pH hơn kém khoảng 2 đơn vị Vi khuẩn Nitrosomonas europaea

có thể sinh trưởng trong khoảng pH từ 5,8-8,5 Cũng giống như nhiệt độ, pH tối ưu cho sự sinh trưởng không nhất thiết cùng giá trị với pH tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn pH tối

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của vi khuẩn oxy hóa ammonium

xuống gần 6,0 – 6,5 hoặc pH tăng trên 10 pH gọi là tối ưu khi tốc độ oxy hóa đạt ít nhất

90% tốc độ tối đa Đối với vi khuẩn Nitrosomonas, hoạt tính có xu hướng giảm trong

khoảng pH từ 6,7 - 9,2

Độ kiềm cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình nitrát hóa Quá trình oxy hóa 1 mol ammoni thành nitrit tiêu tốn 2 mol bicarbonate, và phản ứng sẽ dừng khi pH thấp hơn 6,5 Độ kiềm mất đi là do 2 nguyên nhân: độ kiềm được sử dụng như là nguồn carbon và quá trình nitrit hóa sinh ra ion H+ sẽ tiêu thụ độ kiềm Tuy nhiên, quá trình oxy hóa ammoni sử dụng độ kiềm nhiều hơn

c) Oxy hòa tan (DO)

Nồng độ DO là yêu cầu cần có để vi khuẩn nitrát hóa hay vi khuẩn AOB sinh trưởng Vi khuẩn nitrat hóa hay vi khuẩn AOB là các vi khuẩn hiếu khí gần như bắt buộc,

nếu thiếu O2 kéo dài vi khuẩn sẽ chết Nồng độ DO giới hạn cho phép quá trình xảy ra là

0,2 mg/L đối với Nitrosomonas và cả Nitrobacter trong cả hai trường hợp bùn hoạt tính

hoặc bùn tinh khiết, dưới giá trị này quá trình nitrát hóa sẽ bị ngừng Nhìn chung, vi khuẩn

NOB nhạy cảm với nồng độ DO thấp hơn so với vi khuẩn AOB Vì hằng số ái lực của AOB thấp hơn NOB (0,74 so với 1,75 mgO2/L ở 25oC), AOB sẽ hoạt động mạnh hơn hẳn NOB và

N-NO2 sẽ được tích lũy dưới điều kiện DO thấp

Vi khuẩn nitrat hóa chỉ có thể sống sót khi không có oxy hòa tan trong một khoảng thời gian Sự thiếu vắng DO ít hơn 4 giờ không ảnh hưởng nhiều đến hoạt tính của vi khuẩn khi cấp lại oxy Tuy nhiên, nếu hơn 4 giờ thì bắt đầu có ảnh hưởng, nếu hơn 24 giờ thì có thể tiêu diệt hoàn toàn mật độ vi khuẩn nitrat hóa

Cyanide Mercury Nickel Silver Sulfate Zinc Allyl alcohol Aniline Chloroform Mercaptobenzothiazole

Phenol Skatol Thioacetamide

Thiourea

0,50 0,25 0,25 0,25

500 0,30 20,0 8,0 18,0 3,0 6,0 7,0 0,5 0,1

Vi khuẩn nitrat hóa rất nhạy cảm với nồng độ thấp một số chất hữu cơ và vô cơ Các kim loại nặng gây ức chế mạnh quá trình nitrat hoá Chính ammonia tự do (NH3) và axit nitrous (HNO2) cũng ức chế vi khuẩn nitrat hóa Ammonia tự do và axit nitrous tự do

là hàm của nồng độ ammonium và nitrit, ngoài ra cũng là hàm của pH và nhiệt độ

NH4+ + OH-  NH3 + H2O

NO2 + H+  HNO2

Ammonia tự do là yếu tố ức chế chính ở pH cao (>8) còn axit nitrous là nhân tố ức

chế chính ở pH thấp (< 7,5) Ammonia tự do có thể ức chế Nitrosomonas ở nồng độ thấp hơn 10 mg/L và Nitrobacter ở nồng độ thấp hơn 0,1 mg/L Còn axit nitrous có thể ức chế

cả 2 loại vi khuẩn này ở nồng độ thấp hơn 1 mg/L

2.3.4 Vi khuẩn Anammox

Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ

mới chưa từng được biết đến trước đó về cả lý

thuyết và thực nghiệm đã được phát hiện Đó là

phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium Trong đó

ammonium được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện

kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo

thành nitơ phân tử Vi khuẩn Anammox sử dụng

ammonium làm chất cho điện tử, nitrit làm chất

nhận điện tử và bicarbonate là nguồn carbon Sự

phát hiện phản ứng Anammox đã mở ra các hướng

phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với

các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao Trong

vòng 2 thập niên qua, đã bùng nổ các nghiên cứu

liên quan đến Anammox và ứng dụng của nó Phản

ứng Anammox đã bổ sung một mắc xích vào trong

chu trình nitơ tự nhiên

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 này là những thành viên mới và tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetales Mặc dù giữa 3 chi Anammox đã biết có chung tổ tiên, nhưng hơi xa nhau về mặt tiến hóa (độ tương đồng về

trình tự các base nucleotide trong gen nhỏ hơn 85% dựa vào kết quả phân tích trình tự phân

tử 16S rDNA), trong khi chúng lại có những tương đồng rõ rệt về mặt phenotype: Tốc độ sinh trưởng chậm như nhau, đều có cấu tử Anammoxosome với lớp màng đều chứa lipid

ladderance

2.3.4.1 Phương trình phản ứng

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 sinh khối, phản ứng Anammox được xác định với các hệ số tỉ lượng như sau:

Hình 2.5 Cấu trúc vi khuẩn Anammox (A: anammoxosome, N: nucleoid)

NH4+ + 1,32 NO2- + 0,066 HCO3- + 0.13 H+ 1,02 N2 + 0,26 NO3- +

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 Phương trình này đã được chấp nhận rộng rãi như là đại diện cho phản ứng Anammox khi tính toán và giải thích

2.3.4.2 Cơ chế sinh hóa

Dựa vào kết quả khảo sát bằng việc sử dụng phương pháp đồng vị 15N đã đề xuất một cơ chế sinh hóa của quá trình Anammox Các bằng chứng ban đầu cho thấy phản ứng kết hợp ammoni với hydroxylamine và oxy hóa hydrazine xảy ra bên trong một “thể” gọi là Anammoxosome Anammoxosome nằm trong tế bào chất, bao bọc bởi màng lipid

ladderane và có thể tách nguyên vẹn từ tế bào Anammox Tính chất và chức năng của Anammoxosome vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và được coi là một trong các vấn đề thú vị của sinh học tế bào

Theo đó, quá trình đi qua sản phẩm trung gian là hydrazine (N2H4) HZO (hydrazine

oxidizing enzyme) - một enzyme tương tự như enzym HAO của vi khuẩn Nitrosomonas

tham gia trong quá trình oxy hóa hiếu khí ammoni, sẽ xúc tác cho sự oxy hóa hydrazine thành nitơ phân tử (G0= -288 kJ/mol) Các điện tử từ quá trình oxy hóa này (4 e-) sẽ được chuyển cho sự khử nitrit thành hydroxylamine với sự xúc tác của một enzyme được gọi là

NR (hay còn gọi là NIR: nitrite reductase) (G0 = -22.5 kJ/mol) Hydroxylamine tạo ra sẽ phản ứng kết hợp với ammoni để tạo ra hydrazine mới (xúc tác bởi enzyme HH (hydrazine hydrolase), G0= -46 kJ/mol).Chu trình xúc tác cứ thế sẽ được lặp đi lặp lại

- HH: hydrazine hydrolase

- HZO: hydrazine oxidizing enzyme

- NR: nitrite reducing enzyme (hay

NIR: nitrite reductase)

- Cell wall: thành tế bào

- Intracytoplasm: màng trong tế bào chất

- Cytoplasmic membrane: màng tế bào

- Nucleoid: thể nhân

Hình 2.6 Hình thái học của tế bào Anammox và cơ chế sinh hóa của quá trình

Enzyme HZO của vi khuẩn Anammox có cấu trúc tương tự enzyme hydroxylamine oxido-reductase (HAO) của vi khuẩn Nitrosomonas europaea, tức là chứa các cytochrome

C (cyt C) với nhân haem C hấp thụ mạnh ở 468 nm (HAO

của vi khuẩn N europaea có đỉnh tương tự

ở 460 nm) Cả 2 enzyme đều có khả năng

oxy hóa hydroxilamine và hydrazine Vì ion

trung tâm của các haem này là sắt (FeII và

FeIII), nên các vi khuẩn Anammox có màu

đỏ đặc trưng khi quần tụ ở mật độ lớn Xuất

hiện màu đỏ trong bùn hoạt tính là một chỉ

thị tốt về sự hiện diện của vi khuẩn

Hình 2.8Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH đến hoạt động của vi khuẩn Anammox

Hoạt tính của vi khuẩn Anammox chịu ảnh hưởng của pH Có báo cáo nghiên cứu cho thấy pH sinh lý của vi khuẩn Anammox nằm trong khoảng 6,7-8,3, tối ưu ở pH 8,0 Vi khuẩn Anammox đã được nuôi cấy trong điều kiện pH từ 7,5-8,0 và 30oC.Hằng số tốc độ

tăng trưởng và xử lý ammonium của sinh khối Anammox chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt

độ Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của vi khuẩn Anammox trong

xử lý nước thải tổng hợp cho thấy nitrit bị khử bởi ammonia tối ưu ở nhiệt độ 40±3oC, vi

khuẩn Anammox mất hoạt tính ở nhiệt độ 10oC Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của

Dosta trên hệ thống SBR - vi khuẩn Anammox hoạt động tốt nhất ở 35-40oC, hoạt tính mất

đi ở 45oC nhưng có thể phục hồi được Khi hoạt động trong thời gian dài ở nhiệt độ

15-30oC thì nhiệt độ tối ưu là 18oC, xảy ra sự tích tụ nitrit gây mất ổn định hệ thống khi hoạt động ở 15oC

b) Oxy hòa tan (DO)

Các vi khuẩn Anammox rất nhạy cảm với oxy Các thí nghiệm cho thấy, ammonium không bị oxy hóa ở 0,5; 1 và 2% không khí bão hòa, nghĩa là vi khuẩn Anammox không

hoạt động, nhưng sự ức chế này có tính thuận nghịch Theo Egli, sự ức chế vi khuẩn

Anammox của oxy chỉ có tính thuận nghịch ở nồng độ oxy thấp, không có tính thuận

nghịch ở nồng độ cao (18% không khí bão hòa) Nielsen đã đề cập đến thất bại trong hoạt