NGHIÊN CỨU
III.1.2.2 SỰ ĐỒNG HOÁ NITƠ
Q trình đồng hố: một phần nitơ của muối ammonium và có khi cả Nitơ
của hợp chất hữu cơ được đồng hoá để tổng hợp sinh khối vi khuẩn. Đồng hố có thể đóng vai trị quan trọng trong việc khử nitơ đối với một số nước thải công nghiệp. Nhưng trong nhiều trường hợp và đặc biệt là đối với nước thải dân dụng, sự đồng hoá mà chỉ mình nó thơi khơng đủ khử nitơ vì lượng nitơ có trong nước cần xử lý cao hơn nhiều so với lượng nitơ được đồng hoá để tổng hợp vi khuẩn.
Các vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng sử dụng nitrat và đồng hoá chúng thành ammonium. Trong cơng trình xử lý nước thải, sự đồng hố Nitơ chịu trách nhiệm loại bỏ Nitơ. Các tế bào thực vật và tế bào tảo thích sử dụng Nitơ ở dạng ammonium. Trong đất, các phân bón có ammonium sẽ được ưa thích hơn là phân
bón nitrat. Tế bào sẽ chuyển hoá nitrat hoặc ammonium thành protein và tăng trưởng cho đến khi Nitrơ trở thành yếu tố giới hạn.
III.1.2.3. SỰ KHỐNG HỐ NITƠ (Ammonification)
Sự khống hóa Nitơ là sự chuyển hoá các hợp chất Nitơ hữu cơ thành các dạng vơ cơ. Qúa trình này được thực hiện bởi rất nhiều loại vi sinh vật (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm). Trong đất, một số hợp chất nitơ hữu cơ bền vững đối với phân huỷ sinh học, bởi vì chúng là phức hợp với phênol và/ hoặc polyphenol. Đó là sự biến đổi từ nitơ của hợp chất hữu cơ thành nitơ của muối ammonium.
Đa số các trường hợp khi cho nước lưu trong cơng trình một thời gian nhất định, thì phần lớn nitơ của hợp chất hữu cơ đều được ammonium hố.
III.1.2.4. Q TRÌNH NITRAT HỐ ( Nitrification)
Q trình nitrat hố có thể xảy ra nếu như nitơ tồn tại dưới dạng nitơ của muối ammonium. Tốc độ biến đổi từ muối ammonium thành nitrat đối với bùn hoạt tính như sau: cứ 3mg N - NH4 trong thời gian 1 giờ thì nitrat hoá được 1g hữu cơ.
Độ tăng trưởng của vi sinh dị dưỡng có ý nghĩa tới việc oxy hố các chất ơ nhiễm cacbon, nó cao hơn so với độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng. Do vậy, độ tuổi của bùn trong hệ thống có tác dụng nhất định đối với q trình nitrat hố. Với pH nằm trong khoảng 7,2 – 8,0 độ tuổi nhỏ nhất của bùn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nitrat hoá ở nhiệt độ 12oC hoặc 13oC chỉ thích hợp với các bể có lưu lượng nước nhỏ, ở nhiệt độ dưới 8oC, khó tiến hành nitrat hố. Tuy nhiên nếu các vi sinh vật nitrat hoá phát triển từ trước và được nuôi cấy ở nhiệt độ bình thường thì giải pháp nitrat hố có thể duy trì ở nhiệt độ thấp, nhưng lúc đó hiệu suất oxy hoá của muối ammonium sẽ giảm.
Vi khuẩn nitrit
Vi khuẩn nitrat
• Khi khử ammonium (NH4+) bằng phương pháp sinh học, NH4+ bị oxi hóa theo hai bước:
Bước 1: NH4+ bị oxi hoá thành NO2- do tác động của vi khuẩn nitrit theo phản ứng:
NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O
Bước 2: Oxy hoá NO2- thành NO3- do tác động của vi khuẩn nitrat theo phản ứng
NO2- + 0,5O2 NO3-
• Tổng hợp quá trình chuyển hoá NH4+ thành NO3-: NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O
Có khoảng 20% - 40% NH4+ bị đồng hoá thành sinh khối tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể viết như sau:
4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5O2 C5H7O2N : công thức tổng quát của sinh khối tế bào.
• Có thể tổng hợp q trình nitrat hoá bằng phản ứng sau:
NH4+ + 1,962HCO3- + 1,731O2 0,038 C5H7O2N + 0,96NO3- + 1,077H2O + 1,769H2CO3
Từ phương trình trên rút ra: khi chuyển hố 1mg NH4+ cần tiêu thụ 3,97 mg O2 và sản sinh ra 0,31mg tế bào mới; 7,01mg kiềm bị khử và cần tiêu thụ 0,16mg CO2. Vi khuẩn nitrat hoá đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi môi trường và với các chất độc hại.
Sự oxy hoá ammonium thành nitrit và sau đó thành nitrat là q trình sinh năng lượng. Vi sinh vật dùng năng lượng này để đồng hoá CO2. Nguồn cacbon cần cho vi khuẩn nitrat hoá là CO2, HCO3, CO32-. Sự hiện diện của oxy và lượng kiềm là để trung hoà ion H+ trong q trình oxy hố sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho q trình nitrat hố.
- Về mặt lý thuyết, vi khuẩn cần lượng oxi là 4,6mgO2/1mg N – NH4+ để oxi hoá ammonium đến nitrat
- Mặc dù chúng là hiếu khí bắt buộc, ái lực đối với oxy của chúng vẫn thấp hơn vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí, pH tối ưu để cho tăng trưởng của
Nitrobacter trong khoảng 7,2 – 7,8.
- Sự tạo thành axit của quá trình nitrat hố có thể gây vấn đề cho khả năng đệm kém của nước thải. Mặc dù các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hố có rất nhiều trong tự nhiên, sự nitrat hố cũng có thể thực hiện được bởi vi khuẩn dị dưỡng (như Anthrobacter) và nấm (như Aspergillus). Những vi sinh này sử dụng nguồn cacbon hữu cơ và oxy hoá ammonium đến nitrat. Tuy nhiên, sự nitrat hố dị dưỡng thì chậm hơn nhiều so với nitrat hoá tự dưỡng.