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.
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 khơng 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 không 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 khơi 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 không 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 hồn tồn
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 Khơng 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 thơng 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 cịn 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 gia tăng khả năng lưu giữ vi khuẩn trong bể phản ứng. Dưới điều kiện nồng độ muối cao trong thời gian dài, chức năng của hệ thống vi khuẩn bị suy giảm, tuy nhiên vi
57
khuẩn lại được thích nghi dần. Yang và cộng sự [135] thu được NRR là 4,5 kgN/m3.ngđ ở nhiệt độ 23-260C với cùng nồng độ muối NaCl là 30 g/l.
b. Một số chất vô cơ
Photphat và sunfit là hai chất vô cơ phổ biến ức chế quá trình Anammox. Với photphat có nồng độ <1mmol/L, quá trình Anammox khơng bị ảnh hưởng [67]. Hoạt tính của vi khuẩn giảm 50% khi nồng độ photphat là 20 mmol/L [42] và giảm 100% khi nồng độ đạt 50 mmol/L [144].
Sunfit thường chuyển hoá thành H2S trong phân huỷ kỵ khí và gây hại cho sự sinh trưởng của Anammox [39], [120]. Với nước thải có nồng độ sunfit từ 1-2 mmol/L, vi khuẩn Ca. Kuenenia stuttgartiensis bị giảm hoạt động 60%, nhưng khi nồng độ trên 5 mmol/L thì vi khuẩn này sẽ giảm 100% hoạt động [42].
2.1.4. Các thông số vận hành nhằm kiểm sốt q trình Anammox
Tỉ lệ NH4/NO2 cũng là yếu tố quyết định đến hiệu quả loại bỏ nitơ, phụ thuộc vào tải nitơ đầu vào [56]. Với tải đầu vào NLR cao, quá trình Anammox rất nhạy cảm với sự thay đổi các điều kiện vận hành và làm giảm khả năng chịu đựng của vi khuẩn và đặc biệt là làm hệ thống hoạt động mất ổn định. Jaroszkki và cộng sự [58] cũng thấy rằng pH sẽ không ảnh hưởng đến NRR khi hệ thống vận hành ở NLR thấp và trung bình, trong khi ở tải NLR cao với pH dao động từ 7,5-8,1 thì NRR giảm 61%.
Điều chỉnh nồng độ cơ chất là cách thức quan trọng để ngăn những ảnh hưởng của vi khuẩn Planctomycetes [62]. Cơ chất dòng vào ở mức thấp trong giai đoạn thích nghi đã được chứng minh là cách thức để giảm ảnh hưởng đến vi khuẩn nhưng cũng chính vì vậy dẫn đến giảm phạm vi áp dụng đối với nước thải giàu nitơ. Tang và cộng sự [110] tiến hành thành công với nồng độ cơ chất đầu vào 360mg/L NO2-N trên mơ hình UASB quy mơ phịng thí nghiệm sử dụng bùn hạt đã thu được NRR cao 74,3
±6,7 kgN/m3/ngày.
Vi khuẩn Planctomycetes tồn tại và thích nghi trong nhiều mơi trường khác nhau của các loại nước thải. Sinh khối Anammox trong hệ phản ứng có thể là dạng bơng bùn, bùn hạt hoặc màng. Bởi vì vi khuẩn Planctomycetes có xu hướng phát triển co cụm lại nên hệ thống sử dụng bùn hạt hoặc màng thường được áp dụng để làm
58
giàu vi khuẩn Planctomycetes sẽ tạo thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn [108]. Để đạt được NRR cao, lưu giữ sinh khối là yếu tố rất quan trọng. Trong hệ thống bùn lơ lửng, sinh khối vi khuẩn rất dễ bị rửa trơi. Màng sinh học có thể tăng cường được khả năng giữ bùn sinh khối nên thường được áp dụng.
Vi khuẩn Planctomycetes chỉ phát huy tính hoạt động khi mật độ vi khuẩn lớn hơn 1010-1011 tế bào/ml [102]. Isaka đã chứng minh được NRR tỉ lệ thuận với mật độ vi khuẩn [56]. Việc bổ sung thêm vi khuẩn Planctomycetes vào hệ thống có
thể làm giảm tải cho vi khuẩn trong thời gian ngắn và được xem như là một tác nhân tăng trưởng. Tang và cộng sự [108] đã bổ sung thêm một lượng nhỏ bùn hạt vi khuẩn Planctomycetes vào hệ thống xử lý nước thải dược phẩm và thu được kết quả là các yếu tố ảnh hưởng được giảm nhẹ.
2.2. Q trình nitrit hố bán phần
2.2.1. Bản chất của q trình nitrit hố bán phần
Q trình nitrit hóa bán phần là q trình oxi hóa một phần amoni trong nước thải đầu vào thành nitrit được phát triển vào năm 1990 tại Đại học kỹ thuật Delft [99]. Q trình nitrit hố bán phần là cần thiết cho quá trình Anammox diễn ra tiếp sau đó. Việc chuyển đổi NH4+ thành NO2- bao gồm hai bước với hydroxylamine (NH2OH) là sản phẩm trung gian. Ở bước đầu tiên, NH3 là cơ chất thực chứ không phải NH4+ và NH3 bị oxi hóa thành NH2OH thông qua xúc tác bởi ammonia monooxygenase (AMO) (phương trình 2.2) [105]:
NH3+ O2 + 2H+ + 2e- NH2OH +H2O – 120kJmol-1 (2. 2)
Trong bước thứ hai, NH2OH tiếp tục bị oxi hóa thành NO2- thơng qua xúc tác bởi hydroxylamine oxyoreductase (HAO) (phương trình 2.3) [105]:
NH2OH + 0,5O2 HNO2 + 2H+ + 2e- – 114kJmol-1 (2. 3)
Q trình nitrit hố bán phần này bị hạn chế khử amoni đến nitrit, không phải là nitrat như trong các quá trình truyền thống do đó tiết kiệm được 25% năng lượng sục khí, giảm đến 30% lượng bùn sản sinh và giảm trên 20% lượng khí CO2 phát thải ra ngồi mơi trường.
59
2.2.2. Hố sinh học của q trình nitrit hố bán phần
Q trình nitrit hố bán phần chỉ dừng ở giai đoạn chuyển hoá amoni sang dạng nitrit (nhờ các vi khuẩn AOB), chứ khơng chuyển hố tiếp sang dạng nitrat (nhờ vi khuẩn NOB). Do đó, Nitrosomonas europaea và Nitrosomonas eutropha
chiếm ưu thế trong quần chủng AOBs, bên cạnh đó các vi khuẩn khác như