Theo Sotirakou và cộng sự [13], hợp chất nitơ trong nước rác tồn tại dưới các dạng chính là các hợp chất nitơ hữu cơ (protein, peptid, acid amin) và nitơ vô cơ (NH3, NH4+, NO2–, và NO3–). Quá trình chuyển hoá sinh học nguồn nitơ hữu cơ trong tự nhiên nhờ vi khuẩn, một phần lượng nitơ này được đồng hóa quay trở lại thành nguồn nitơ hữu cơ trong cấu trúc tế bào (hấp thu dưới dạng các acid amin, hay nhờ năng lực khử nitrat đồng hóa các muối NH4+ và NO3– làm nguồn dinh dưỡng nitơ, để tổng hợp tế bào hay năng lực tự dưỡng amin có ở nhiều loài vi sinh vật), phần còn lại trong điều kiện hiếu khí cuối cùng thường dẫn tới tích tụ muối nitrat (do quá trình oxy hóa - khử sinh học để thu nhận năng lượng của các vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat hoá, với hai giống điển hình là vi khuẩn Nitrosomonas, vi khuẩn Nitrobacter). Tiếp theo, nhờ quá trình phân huỷ sinh học thiếu khí hoặc kỵ
khí (do quá trình oxy hóa - khử sinh học để thu nhận năng lượng của các loài vi khuẩn khử nitrat hóa) các muối nitrat này có thể chuyển hóa đến sản phẩm cuối cùng là N2. Nitơ vô cơ tồn tại ở 3 dạng chính là: ion amoni (NH4+), nitrit (NO2–) và nitrat (NO3–).
a. Quá trình amon hóa protein
Quá trình amon hóa protein là quá trình phân huỷ và chuyển hóa protein (cũng như các sản phẩm thủy phân trung gian của protein) thành NH4+, dưới tác dụng của các loài vi sinh vật:
Các hợp chất hữu cơ chứa N → NH3 hoặc NH4+ (1.1) NH3 + H2O → NH4+ + OH– (1.2)
Quá trình chuyển hoá sinh học protein thành acid amin do nhiều vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí có năng lực sinh tổng hợp hệ enzym protease ngoại bào gây ra, theo sơ đồ cơ chế:
Protein → Polypeptid → Peptid → Acid amin (1.3) Quá trình chuyển hoá tiếp theo, các acid amin này một phần sẽ được vi sinh vật hấp thu làm nguồn vật liệu cấu trúc nitơ để sinh trưởng và phát triển, còn một phần sẽ bị chuyển hóa theo cơ chế khử amin hóa (trong trường hợp vi sinh vật sử dụng nguồn acid amin này làm vật liệu chỉ để thu nhận mạch khung cacbon vào mục tiêu
nên các thành phần khác không chứa nitơ trong tế bào như glucid, lipid…). Kết quả là quá trình khử amin hóa (dezamin) các acid amin đã dẫn đến xuất hiện và tích tụ dần NH3 tự do, hay dưới dạng NH4+ trong môi trường.
b. Quá trình loại bỏ Nitơ
Quá trình loại bỏ hợp chất nitơ trong nước thải theo phương pháp vi sinh vật thành hợp chất bền là N2 trải 2 quá trình: đầu tiên là oxy hóa hợp chất nitơ có hóa trị
–3 (NH3, NH4+) lên hóa trị +3, +5 (NO2–, NO3–), quá trình này còn được gọi là quá trình nitrat hóa. Tiếp tục quá trình tiếp theo là khử từ hóa trị dương về hóa trị không (N2), quá trình này còn được gọi là quá trình khử nitrat.
Quá trình nitrat hóa (Nitrification)
Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa tiếp tục nitơ amon, đầu tiên tạo thành nitrit và sau đó tạo thành nitrat. Quá trình nitrat hóa bao gồm 2 giai đoạn chính là oxy hóa muối amon thành NO2– (nitrit hóa), giai đoạn oxy hóa nitrit thành NO3– (nitrat hóa) [22] và quá trình này được thực hiện chủ yếu bởi hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng có năng lực chuyển hóa và sử dụng được nguồn năng lượng thoát ra từ quá trình oxy hóa vô cơ amon và nitrit [21].
Trong mô hình bể phản ứng theo mẻ (SBR) thì quá trình nitrat hóa xảy ra trong giai đoạn sục khí hay pha phản ứng. Oxy hóa amoni với tác nhân oxy hóa là oxy phân tử còn có tên gọi là nitrat hóa, được hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau:
Nitrosomonas:2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2– + H+ + 2 H2O + Tế bào mới (1.4)
Nitrobacter: 2 NO2– + O2 → 2 NO3– + Tế bào mới (1.5) Tổng hợp 2 phản ứng được viết lại như sau:
NH4+ + 2 O2 → NO3– + 2 H+ + H2O (1.6) Phản ứng (1.4), (1.5) được thực hiện do chủng vi sinh vật Nitrosomonas và Nitrobacter để sản xuất năng lượng. Năng lượng thu được từ hai phản ứng trên hoặc
từ tổng của hai phản ứng (1.6) rất thấp: 57 kcal/mol cho phản ứng hình thành nitrit và 19 kcal/mol cho phản ứng hình thành nitrat. Phản ứng này thấp hơn nhiều khi so sánh với phản ứng oxy hóa chất hữu cơ do vi sinh vật hiếu khí dị dưỡng thực hiện: năng lượng thu được từ phản ứng oxy hóa axit axetic là 207 kcal/mol. Đó chính là lý do dẫn đến hiệu suất sinh khối của vi sinh tự dưỡng thấp hoặc tốc độ phát triển của chúng chậm.
Phản ứng hóa học (1.4), (1.5) chỉ mô tả phản ứng tỷ lượng của amoni với oxy do vi sinh vật thực hiện nhằm sản xuất năng lượng để duy trì sự sống và phát triển.
Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng nguồn
cacbon vô cơ (chủ yếu là HCO3
–
và CO2) cùng với các chất dinh dưỡng (N, P, vi lượng…) để xây dựng tế bào. Thành phần nitơ được ưa chuộng nhất để xây dựng tế bào là amoni. Thành phần oxy trong tế bào (C5H7O2N) được lấy từ CO2 hoặc HCO3–.
Oxy hóa amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của cả quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn. Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với loại Nitrobacter và vì vậy nồng độ nitrit thường rất thấp trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ rằng giai đoạn oxy hóa từ amoni thành nitrit là bước quyết định tốc độ phản ứng oxy hóa đối với một hệ xử lý hoạt động bình thường. Vì lý do đó, trong khi tính toán theo mô hình động học người ta chỉ sử dụng các thông số liên quan đến loại vi sinh Nitrosomonas đặc trưng cho quá trình oxy hóa
amoni (hai loại vi sinh tự dưỡng trên có tên chung là Nitrifier).
Quá trình khử nitrat (Denitrification)
Nitrat – sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chưa được xem là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hóa về dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hóa học, chuyển hóa trị của nitơ từ +5 (NO3–) về hóa trị không (N2). Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifier. Phần lớn loại vi sinh thuộc nhóm Denitrifier trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng. Quá trình khử nitrat thường được nhận dạng là khử nitrat yếm khí, tuy nhiên diễn biến quá trình sinh hóa không phải là quá trình lên men yếm khí mà nó giống quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrat, nitrit khi môi trường không có oxy cho chúng. Vì vậy quá trình khử nitrat xảy ra chỉ trong điều kiện thiếu khí oxy (anoxic). Sự khác biệt giữa quá trình hiếu khí và thiếu khí là loại enzym tham gia vào giai đoạn vận chuyển điện tử cho hợp chất nitơ ở bước cuối cùng trong cả chuỗi phản
Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hóa), chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2, S, Fe2+. Phần lớn vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử dụng cho phản ứng khử nitrat.
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.
Phương trình tổng quát:
NO3– → NO2– → N2O → N2 (1.7) Phản ứng khử Nitrat với chất hữu cơ là methanol:
6 NO3– + 5 CH3OH → 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH– (1.8) Khí CO2 kết hợp với OH– thành HCO3– tạo thành độ kiềm trả lại cho môi trường sau khi cần độ kiềm trong quá trình Nitrat hóa.
Sử dụng chất hữu cơ từ nguồn nước thải (C18H19O9N) thì phản ứng xảy ra như sau:
C18H19O9N + NO3– + H+ → N2 + CO2 + HCO3– + NH4+ + H2O (1.9) Song song với quá trình khử Nitrat, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình sẽ lớn hơn so với lượng cần thiết cho phản ứng khử Nitrat.
Quá trình khử Nitrat, Nitrit và tổng hợp tế bào sử dụng chất cho điện tử là metanol.
NO3– + 1,08 CH3OH + 0,24 H2CO3 → 0,056 C5H7NO2 + 0,47 N2
+ 1,68 H2O + HCO3– (1.10) NO2– + 0,67 CH3OH + 0,53 H2CO3 → 0,04 C5H7NO2 + 0,48 N2
+ 1,23 H2O + HCO3– (1.11) Lượng chất hữu cơ sử dụng để khử Nitrit thấp hơn so với lượng cần thiết để khử Nitrat tính theo đơn vị N, xấp xỉ 62 % theo hai phương trình trên. Tính theo lý thuyết là 60 % (khử từ hóa trị +5 và +3 về hóa trị 0)
Trong hệ khử nitrat bởi vi sinh vật, mức độ tiêu hao chất điện tử phụ thuộc vào sự có mặt của các chất nhận điện tử (chất oxy hóa) trong hệ: oxy hòa tan, nitrat, nitrit và sunfat. Trong các hợp chất trên thì oxy hòa tan có khả năng phản ứng tốt nhất với các chất khử vì trong hệ luôn tồn tại cả loại vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí hoặc phần lớn loại vi sinh Denitrifier có khả năng thay đổi quá trình trao đổi chất từ
phương thức sử dụng oxy sang nitrat. Vi sinh vật chỉ sử dụng đến nitrat và nitrit khi môi trường đã cạn kiệt nguồn oxy hòa tan.
Quá trình cạnh tranh về phương diện chất cho điện tử để khử Nitrat và Nitrit thì ngang nhau. Trong trường hợp không cung cấp đủ chất cho điện tử thì quá trình khử Nitrat có thể dừng lại ở giữa chừng, không tạo được sản phẩm cuối cùng là N2.