Tính đến nay, 22 lồi vi khuẩn Anammox được ghi nhận trong hệ tự nhiên và hệ thống xử lý nhân tạo bao gồm 7 chi khác nhau [65]:
a. Brocadia gồm có 5 lồi là: Ca.Brocadia anammoxidans, Ca.Brocadia fulgida, Ca.Brocadia sinica, Ca.Brocadia brasiliensis, Ca.Brocadia caroliniensis.
b. Kuenenia gồm có 1 lồi là: Ca.Kuenenia stuttgartiensis
c. Scalindua gồm có 9 lồi là: Ca.Scalindua brodae, Ca.Scalindua wagneri, Ca.Scalindua sinooifield, Ca.Scalindua zhenghei, Ca.Scalindua richardsii, Ca.Scalindua sorokinii, Ca.Scalindua arabica, Ca.Scalindua marina, Ca.Scalindua profunda.
49
e. Jettenia gồm có 3 lồi là: Ca.Jettenia asiatica, Ca.Jettenia moscovienalis, Ca.Jettenia caeni
f. Anammoxoglobus gồm có 2 lồi là: Ca. Anammoxoglobus propionicus, Ca. Anammoxoglobus sulfate.
g. Anammoximicrobium gồm có 1 lồi là: Ca. Anammoximicrobium moscowii.
Phần lớn các chi như Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus và Jettenia đã
được xác định có mặt trong rất nhiều các cơng trình xử lý nước thải [65]. Trong khi đó, Scalindua mới được quan sát thấy vai trò chiếm ưu thế trong mơi trường nước
biển. Theo Rios-Del [94], có đến 30000 giải trình tự gen 16S rRNA trên ngân hàng dữ liệu NCBI liên quan đến vi khuẩn Anammox, điều đó chứng tỏ cịn rất nhiều lồi đang chờ được định danh.
2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox 1. pH 1. pH
pH thấp làm giảm nồng độ amoniac tự do (FA) nhưng lại làm tăng nồng độ axit nitrit tự do (FNA) và ngược lại [78]. Do đó để ngăn cản sự ảnh hưởng của FA và FNA thì pH của dịng thải vào thường xuyên phải được điều chỉnh về pH trung tính. Theo Strous và cộng sự [103], vi khuẩn Planctomycetes phát triển tối ưu ở khoảng
giá trị pH từ 6,7-8,3. Tuy nhiên, Egli và cộng sự [41] cũng quan sát thấy hoạt động của vi khuẩn Planctomycetes ở pH 6,5-9 trong hệ thống đĩa quay xử lý nước rỉ rác và thấy rằng giá trị pH tối ưu nhất là 8. Trong hệ thống dòng thải liên tục với bùn hạt, thậm chí khi dịng thải ra có pH từ 8,5 đến 9,3, q trình Anammox vẫn duy trì hoạt động ổn định [109]. Tuy nhiên, nên tránh pH cao vì Jarosynski [58] đã chứng minh được rằng với pH thấp, phản ứng có thể diễn ra ở mức nitrit cao hơn và có tốc độ cao hơn. Trong nghiên cứu [136], Yang đã nghiên cứu phản ứng của một cộng đồng vi sinh vật trong quá trình loại bỏ nitơ tự dưỡng hoàn tồn thơng qua khử nitrit (CANON) bị sốc bởi độ pH 11 trong khoảng thời gian 12 giờ. Nghiên cứu cho thấy, hiệu suất của quá trình CANON bị giảm nhanh chóng, vi khuẩn hình thành bào tử. tuy nhiên nó có thể tự phục hồi trong vịng 107 ngày.
50
2. Nhiệt độ
Vi khuẩn Planctomycetes phát triển tối ưu ở nhiệt độ 30-400C. Với nhiệt độ trên 450C thì hoạt động của vi khuẩn bị suy giảm khơng thể phục hồi cịn ở nhiệt độ thấp thì vi khuẩn bị ức chế [40]. Theo Isaka và cộng sự [57], NRR đạt được 11,5 kgN/m3/ngày ở 370C trong khi ở 20-220C thì NRR chỉ đạt 8,1 kgN/m3/ngày. Dosta và cộng sự [40] cũng đã nghiên cứu thấy hệ thống Anammox có thể vận hành thành cơng ở 180C, tuy nhiên nitrit bắt đầu tích luỹ và hệ thống bị mất ổn định ở 150C. Vi khuẩn Planctomycetes có thể chịu được nhiệt độ thấp là nhờ khả năng thích nghi của nó [40]. Nhiệt độ cịn ảnh hưởng tới nồng độ FA và FNA trong nước thải do đó kiểm sốt nhiệt độ rất quan trọng trong quá trình vận hành hệ thống.
3. DO
DO là thông số quan trọng trong khi vận hành hệ thống vì vi khuẩn
Planctomycetes bị ức chế khi DO ở mức thấp (< 2% khơng khí bão hồ) [100]. Theo
kết quả nghiên cứu của Egli và cộng sự [41], hoạt động của vi khuẩn Planctomycetes bị ức chế nhưng có thể phục hồi ở nồng độ DO thấp (<1% khơng khí bão hồ), nhưng khơng thể phục hồi ở nồng độ DO cao (>18% không khí bão hồ). Do đó, DO cần phải được kiểm soát nghiêm ngặt trong hệ thống để ngăn chặn những tác động bất lợi cho quá trình Anammox.
4. Nồng độ cơ chất đầu vào
a. Amoni
Theo nghiên cứu của Dapena-Mora [39], nồng độ amoni cao sẽ gây ức chế đến quá trình, vi khuẩn bị giảm 50% hoạt tính nếu nồng độ amoni là 770mg/L. Nghiên cứu của Fernández [44] cho thấy rằng, hoạt động của vi khuẩn Planctomycetes bị
giảm 50% khi nồng độ amoni tự do (FA) là 38mg/L (ngắn hạn theo mẻ) và khi FA trên 20-25 mg/L (dài hạn trong bể SBR). Khi nồng độ FA trên 35-40 mg/L thì hệ thống làm việc không ổn định và hiệu quả xử lý giảm dần xuống bằng 0. Waki và cộng sự [125] cũng cho rằng với nồng độ FA trong khoảng từ 13-90 mg/L có thể gây độc cho các tổ chức tế bào vi khuẩn Planctomycetes. Giới hạn cho phép của nồng độ FA khác nhau trong các nghiên cứu có thể do đặc tính đa dạng giữa các lồi vi khuẩn
51
Planctomycetes khác nhau, tạo ra những khả năng chống lại các ảnh hưởng của nồng
độ FA khác nhau [87]. Trong nghiên cứu của Jung [62], ngưỡng gây độc nhỏ nhất của FA là 1,7 mg/L trong giai đoạn thích nghi cho thấy vi khuẩn Planctomycetes
khơng chỉ có khả năng chịu đựng được FA mà cịn có khả năng điều chỉnh FA thơng qua q trình thích nghi. Nghiên cứu của Gou và cộng sự [52] đã chỉ ra rằng ở tải lượng nitơ thấp, các hoạt động của con đường chuyển hóa purine và pyrimidine tăng lên đã cung cấp nhiều axit nucleic dồi dào hơn cho sự sinh sơi của vi khuẩn. Nhờ đó, q trình loại bỏ nitơ sẽ có lợi hơn do việc tăng năng suất sinh khối anammox.
Bảng 2.1. Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của amoni và FA
Loại bể Nhiệt độ (oC) pH NH4+ (mg/ L) FA (mg/L) Ảnh hưởng TLTK SBR 33 7,8 180-750 35-40 Giảm hoạt động 40% [44] CSTR 30 7,8 - 38 Giảm hoạt động 50% CSTR 30 7,8 770 - Giảm hoạt động 50% [39]
UASB 35±1 - - 1,7 Giảm hoạt động 24% [62]
UBF 35±1 6,8 80-320 57-87 Ức chế vi khuẩn [106] UASB 20 7,3-8,1 - 13-90 Gây độc cho vi khuẩn [125]
b. Nitrit
Quá trình Anammox dễ bị ảnh hưởng bởi nitrit hơn amoni do ngưỡng ức chế của nitrit thấp hơn ngưỡng ức chế của amoni. Strous [103] cho rằng nồng độ nitrit 100mg/L gây ức chế hoàn toàn hoạt động của vi khuẩn Planctomycetes. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Isaka và cộng sự [57] cho thấy nồng độ nitrit cao hơn 280 mgN/L sẽ ức chế phản ứng Anammox cịn nồng độ thấp hơn thì sẽ phù hợp hơn.
Trong nghiên cứu nuôi cấy theo mẻ, Egli và cộng sự [41] quan sát thấy vi khuẩn Planctomycetes bị mất hoạt tính khi nồng độ nitrit lớn hơn 185mg/L, nhưng Dapena-Mora [39] lại thấy hoạt tính của vi khuẩn giảm 50% khi nồng độ nitrit trên 350mg/L.
52
Một nghiên cứu khác của Kimura [63] với giá thể mang dạng gel cho thấy, khi nồng độ nitrit lớn hơn 274 mg/L thì hoạt tính của vi khuẩn Planctomycetes bắt đầu giảm. Trong điều kiện thí nghiệm ni cấy liên tục, hoạt tính của vi khuẩn
Planctomycetes không bị ảnh hưởng khi nồng độ nhỏ hơn 400mg/L nhưng giảm 90%
sau 7 ngày khi tăng dần nồng độ lên 750mg/L. Kimura cũng chứng minh được rằng, hoạt tính của vi khuẩn Planctomycetes cũng có thể được phục hồi sau 3 ngày nếu
giảm nồng độ nitrit từ 750mg/L xuống dưới 274mg/L.
Jaroszynski và cộng sự [58] cũng kết luận rằng nồng độ nitrit cao khơng phải lý do chính của việc hệ thống hoạt động khơng ổn định. Ảnh hưởng của nitrit đến q trình Anammox khơng phải do ion NO2- mà là do axit nitrit tự do (FNA, HNO2) [44]. Hoạt tính của vi khuẩn giảm 50% khi nồng độ HNO2 là 11µg/l nhưng ở nồng độ 1,5µg/l đã gây giảm hiệu quả loại bỏ nitơ và mất ổn định quá trình Anammox. Tuy nhiên khi FNA nhỏ hơn 0,5µg/l thì q trình lại được khôi phục.
Bảng 2.2. Một số nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nitrit đến quá trình Anammox
Loại bể Nhiệt độ (0C) pH NO2- (mg/L) FNA (mg/L) Ảnh hưởng TLTK SBR - - <100 - không ảnh hưởng [103] SBR 37 7,0 >185 30,9 VK Anammox không hoạt động [41]
ABF 37 7,2 <280 29,5 không ảnh hưởng [57]
ống Monod 36 - <274 - không ảnh hưởng [63]
30 - <750 - không ảnh hưởng [63] UBF 35±1 6,8 380 19,8±5,0 -31% [106] 35±1 6,8 390 - -85% SBR 30 - <240 0,5 Không ảnh hưởng [44] UASB 35±1 6,8 280 77,7 -12% [109] UASB 37 7,8 224 5,9 -50% [87]
53
5. Các chất hữu cơ.
Nồng độ chất hữu cơ cao gây ức chế vi khuẩn Planctomycetes trong khi nồng độ thấp khơng gây ảnh hưởng đáng kể [53], thậm chí cịn thúc đẩy q trình sinh hố [39]. Cơ chế để giải thích việc suy yếu của q trình Anammox là sự cạnh tranh giữa vi khuẩn Planctomycetes và vi khuẩn dị dưỡng nitrat hố. Khi đó vi khuẩn dị dưỡng có thể phát triển mạnh hơn vi khuẩn tự dưỡng, cạnh tranh vi vi khuẩn Planctomycetes và cản trở các phản ứng hoá học của chúng [30], [66], [75].
Theo nghiên cứu của Lackner, tỉ lệ C/N >2 trong nghiên cứu về màng sinh học sục khí có thể làm vi khuẩn Planctomycetes bị ức chế nhưng cũng với tỉ lệ này trên hệ thống màng sinh học truyền thống thì hiệu suất loại bỏ nitơ giảm 50% [66]. Theo Chamchoi [30], nồng độ COD trên 300 mg/L (tỉ lệ C/N là 2) có thể gây ức chế hồn toàn phản ứng anammox và đồng thời ưu thế hơn cho hoạt động của vi khuẩn khử nitơ. Ni và cộng sự [83] chỉ ra rằng tỉ lệ C/N >4 thì quá trình anammox bị suy yếu. Rodriguez-Sanchez và cộng sự [95] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng ngắn hạn của việc tăng thêm cacbon hữu cơ (acetate và bột ngô) cũng chỉ ra rằng tỉ lệ C/N (2 và 6) khơng có ảnh hưởng lớn đến q trình anammox. Theo nghiên cứu của Lê Công Nhất Phương [16] khi tỷ lệ C/N từ 0,0 đến 0,2 thì hiệu suất xử lý là 80% nhưng khi tăng tỷ lệ này từ 0,4 đến 1,5 thì hiệu suất xử lý giảm từ 68% xuống còn 14%.
Khi đánh giá ảnh hưởng của các hợp chất hữu cơ, Guven [53] nhận thấy với nồng độ 0,5-3mmol/l của glucose, formate, acetat và alanine thì khơng gây ra ảnh hưởng đáng kể. Với nồng độ 1mmol/l của glucose gây ra sự thay đổi rất nhỏ, khoảng 5% (thí nghiệm theo mẻ của Oshiki [87] và 12% (thí nghiệm dịng liên tục trong bể FBR của Van, de G.A [120]. Nghiên cứu của Guven và cộng sự [53] cho rằng 0,5mmol/l metanol làm mất hoạt tính của vi khuẩn Planctomycetes.
Nghiên cứu của Chen [33] đã chỉ ra rằng cacbon hữu cơ có ảnh hưởng đến việc loại bỏ nitơ bởi quá trình Anammox. Khi nồng độ COD nhỏ hơn 99,7 mg/L, việc loại bỏ nitơ có thể được tăng cường thơng qua sự đồng thời của q trình khử nitơ và Anammox. COD tăng cao ở nồng độ 284,1 mg/L ức chế gần như hoàn toàn hoạt động của vi khuẩn. Tuy nhiên hoạt tính của vi khuẩn được phục hồi khi C/N giảm từ 2,33
54
xuống 1,25. Nghiên cứu cũng chứng minh được COD là yếu tố quan trọng điều chỉnh cấu trúc cộng đồng vi khuẩn.
Tuỳ thuộc vào đặc tính và nồng độ của các hợp chất hữu cơ trong nước thải mà q trình Anammox có những ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau (bảng 2.3).
Bảng 2.3. Một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các chất hữu cơ đến quá trình Anammox Mơ hình phản ứng Điều kiện vận hành Dạng chất
hữu cơ Đơn vị
Nồng
độ Ảnh hưởng TLTK
Bể kỵ khí Mẻ và liên tục
Glucose mmol/L 0,5-3 Không đáng kể
[53] Axetat mmol/L 0,5-3 Không đáng kể
Propionate mmol/L < 3 Không đáng kể UASB Liên tục COD mg/L >300 VK Anammox
không hoạt động [30] ABR Liên tục Glucose mg/L <99,7 Hoạt tính tăng [33]
>284,1 ức chế hoàn toàn
FBR Mẻ Glucose mmol/L 1 Hoạt tính tăng [120]
Liên tục Glucose mmol/L 1 -12%
UASB Liên tục Sucrose mg/L 700 -98% [107]
Mẻ Sucrose mg/L 700 -45% UASB Bán Liên tục COD mg/L > 237 -100% [75] COD mg/L >290 -100% Bình phản ứng Mẻ Axetat mmol/L 10 Không đáng kể [39] mmol/L 25 -22% mmol/L 50 -70% Bình phản ứng Mẻ Axetat mmol/L 1 -2% [87] Propionate mmol/L 1 -1% Glucose mmol/L 1 5%
55
Trong nghiên cứu của Beatriz Molinuevo [75], tác giả đã tiến hành đánh giá quá trình Anammox với các hàm lượng chất hữu cơ (COD) khác nhau trong bể UASB. Nước thải được sử dụng trong thí nghiệm là nước thải nhân tạo (giai đoạn đầu), nước thải ni lợn sau q trình phân huỷ UASB và nước thải ni lợn sau q trình oxi hố một phần được pha lỗng với nước thải nhân tạo (giai đoạn 2 và giai đoạn 3). Hiệu quả loại bỏ amoni cao đã đạt được, lên tới 92,1 ± 4,9% đối với nước thải sau pha loãng UASB (95 mg/L COD) và lên đến 98,5 ± 0,8% đối với nước thải bị oxi hóa một phần (121 mg/L COD). Cân bằng sinh khối cho thấy sự gia tăng nồng độ chất hữu cơ (từ 95 mg/L COD đến 237 mg/L COD và từ 121 mg/L COD đến 290 mg/L COD tương ứng đối với nước thải sau phân huỷ ở bể UASB và nước thải oxi hóa một phần) ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình anammox và khử nitơ dị dưỡng. Oxi hóa một phần như một phương pháp tiền xử lý đã cải thiện việc loại bỏ amoni ở nồng độ chất hữu cơ cao. Lên đến ngưỡng nồng độ hữu cơ là 142 mg/L COD của nước thải sau phân huỷ ở bể UASB và 242 mg/L COD của nước thải bị oxi hóa một phần, khơng có tác dụng của tải hữu cơ đối với việc loại bỏ amoniac (loại bỏ amoni trên 80%). Tuy nhiên, khi COD trên 237 mg/L đối với nước thải sau UASB và trên 290 mg/L đối với nước thải bị oxi hóa một phần thì việc loại bỏ amoni bị ngừng lại. Kết quả thu được cho thấy quá trình khử nitrat chiếm ưu thế hơn quá trình Anammox khi hàm lượng chất hữu cơ (COD) tăng lên.
Trong thí nghiệm của Chong-jian Tang [106], ảnh hưởng của chất hữu cơ đến hiệu suất loại bỏ nitơ của q trình oxi hóa amoni kỵ khí được nghiên cứu trong bể UASB với tốc độ nạp nitơ là 13,92 kgN/m3/ngày với thời gian lưu thuỷ lực là 0,83 h. Cân bằng khối lượng cho thấy quá trình khử nitơ dị dưỡng chiếm ưu thế khi tỉ lệ C/N là 2,92. Sự phát triển của vi khuẩn Planctomycetes đã bị ức chế đáng kể bởi các cộng đồng khử nitơ dưới hàm lượng chất hữu cơ cao do sự cạnh tranh yếu hơn đối với nitrit (chất nhận điện tử) và không gian sống. Điều kiện vận hành bể UASB với hàm lượng hữu cơ tương đối cao trong thời gian dài dẫn đến q trình Anammox có hiệu suất phục hồi yếu.
56
Chamchoi [30] đã tiến hành nghiên cứu đồng thời quá trình Anammox và khử nitrat bể UASB sử dụng cả hai loại bùn Anammox và bùn hạt kỵ khí. Q trình khử nitrat đã được quan sát thông qua việc giảm cả nồng độ nitrit, COD và nitrat, trong điều kiện thiếu khí/kỵ khí. Hoạt động q trình Anammox giảm dần đã được nhận thấy khi gia tăng COD trong khoảng 100- 400 mg/L, tương ứng với tỷ lệ C/N là 0,9 đến 2,0. COD trên 300 mg/L đã được nhận thấy là làm vi khuẩn Planctomycetes bất hoạt và COD được xem là một biến số kiểm soát để lựa chọn giữa phản ứng Anammox và khử nitrat.
Hiện tượng giảm đột ngột hiệu quả xử lý cũng đã diễn ra trong thí nghiệm của Leal [68] khi ảnh hưởng của C/N đến quá trình Anammox để xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt. Cintia cũng chỉ ra rằng với COD = 490 mg/L (tỉ lệ C/N = 3,5), vi khuẩn Planctomycetes cũng bị ức chế và bị chết. Hiệu quả xử lý amoni khi đó giảm đột ngột chỉ còn 21,7%. Tuy nhiên với COD = 300 mg/L và nồng độ amoni và nitrit chỉ còn 30mg/L (tỉ lệ C/N = 5,0) thì hiệu quả xử lý lại được khôi phục.
Tác động của việc tăng tỉ lệ C/N đến hiệu suất loại bỏ nitơ và cấu trúc vi sinh vật trong bể SBR với chế độ sục khí liên tục (DO trong khoảng 0,15-0,2 mg/L) được nghiên cứu trong thí nghiệm của Zhang [146]. Khi C/N tăng từ 0,1 đến dưới 0,59, hiệu suất khử nitơ (NRE) tăng từ 88,7% lên 95,5%; trong khi ở tỷ lệ C/N là 0,59- 0,82, NRE vẫn ở mức 90,7% - 95,5%. Khi C/N tăng từ 0,82 lên 1,07, NRE giảm liên tục cho đến khi đạt 60,1%. Vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí vượt trội hơn AOB ở nồng độ COD cao (650 mg/L) do cạnh tranh oxi, dẫn đến hiệu suất loại bỏ nitơ bị giảm sút.
6. Một số yếu tố ức chế khác a. Độ mặn
Độ mặn cao dẫn đến áp suất thẩm thấu cao và vi sinh vật trong mơi trường có độ mặn cao có thể bị chết hoặc khơng hoạt động. Theo Dapena-Mora và Fernadez [39], độ mặn từ 3-15 g/l NaCl thúc đẩy sự hình thành bùn Anammox dạng hạt, làm