2.1 Tổng quan về nitơ
2.1.4. Quá trình phản nitrat
Phản nitrat là quá trình khử NO3- thành khí N2 theo 4 giai đoạn như sau : NO3-
→ NO2- → NO (k) → N2O (k) → N2(k)
Trong đó NO2- , NO , N2O là sản phẩm trung gian và mỗi giai đoạn của quá trình được xúc tác bởi 1 hệ enzym khác nhau. Quá trình này còn được gọi là quá trình dị hoá .
Khác với quá trình nitrat hoá, số lượng vi khuẩn có thể thực hiện quá trình phản nitrat hoá tương đối phong phú. Có ít nhất 14 chủng vi khuẩn được biết là có khả năng phản nitrat hoá. Ví dụ như chủng: Bacillus, Pseudomona , Methanomonas, Paracocus, Spirillum, Thiobacillus ... Hầu hết vi khuẩn phản nitrat hoá là vi khuẩn hô hấp tuỳ tiện, chúng có thể sử dụng O2 hoặc NO3- làm chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình hô hấp, trường hợp vi khuẩn sử dụng oxi làm chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp gọi là hô hấp hiếu khí , còn trường hợp vi khuẩn sử dụng NO3- hoặc NO2- gọi là hô hấp thiếu khí . Cơ chế của 2 quá trình là tương tự nhau, sự khác nhau duy nhất giữa hô hấp hiếu khí và hô hấp thiếu khí là enzym xúc tác cho sự vận chuyển điện tử. O2 phải được loại trừ để tạo điều kiện cho quá trình phản nitrat diễn ra . Nếu cả O2 và NO3- cùng có mặt thì vi sinh vật sẽ sử dụng O2 làm chất nhận điện tử do hô hấp hiếu khí sinh ra nhiều năng lượng hơn hô hấp thiếu khí.
Các vi sinh vật cần nitơ để tổng hợp protein, nguồn nitơ vi sinh vật có thể sử dụng trực tiếp trong tổng hợp là NH4+. Trong trường hợp không sẵn có nguồn NH4+, một số vi sinh vật có khả năng khử NO3- thành NH4+ để sử dụng. Khi đó một phần
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 11 nitơ đã được chuyển vào trong tế bào, quá trình khử nitơ kiểu này được gọi là “khử nitrat do đồng hoá “.
Phần lớn vi khuẩn phản nitrat là vi khuẩn dị dưỡng tức là chúng cần nguồn cacbon hữu cơ để tổng hợp tế bào, chỉ có một số ít vi khuẩn khử nitrat là vi khuẩn tự dưỡng, sử dụng nguồn cacbon vô cơ để tổng hợp tế bào. Ví dụ : Loài Thiobaccillus denitrificans có khả năng oxi hoá lưu huỳnh nguyên tố lấy năng lượng và sử dụng nguồn cacbon từ CO2 hoà tan hoặc HCO3- để tổng hợp tế bào .
Cơ chế của quá trình :
Phương trình phản ứng mô tả quá trình phản nitrat phụ thuộc vào nguồn cacbon sử dụng. Với NO3- là chất nhận điện tử và nguồn Cacbon là metanol , axit acetic , mêtan và nước thải ta có các phản ứng 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11.
6 NO3- + 5 CH3OH → 3 N2 + 5 CO2 +7 H2O + 6OH- (2.8) 8 NO3- + 5 CH3COOH → 4 N2 + 10 CO2 + 6 H2O + 8OH- (2.9) 8 NO3- + 5 CH4 → 4 N2 + 5 CO2 + 6 H2O + 8 OH- (2.10) 10 NO3- + C10H19O3N → 5 N2 + 10 CO2 + 3 H2O + NH3 +10 OH- (2.11) Sự trao đổi điện tử trong quá trình thể hiện ở 2 phương trình 2.12 và 2.13
NO3- + 6 H+ +5 e- → 0,5 N2 + 3 H2O (2.12) 5 CH3OH + 5 H2O → 5 CO2 + 30 H+ + 30 e- (2.13)
Rõ ràng NO3- nhận điện tử và bị khử thành N2, nguồn cacbon trong trường hợp này là metanol bị mất điện tử và được oxi hoá thành CO2. OH- sinh ra trong phương trình trên kết hợp với CO2 tạo thành HCO3- :
OH- + CO2 → HCO3- (2.14)
Khi đó các phản ứng đồng hoá và dị hoá nitơ là như sau:
o Dị hóa nitơ :
Khử NO3- thành NO2- : 3NO3- + CH3OH → 3NO2- + H2O + H2CO3 (2.15) Khử NO2- thành N2 :2NO2- + CH3OH + H2CO3 → N2 + 2HCO3- +2H20 (2.16)
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 12 Khử NO3- thành N2 : 6NO3-+5CH3OH+H2CO3 → 3N2+8H2O + 6HCO3- (2.17)
o Đồng hoá nitơ :
14CH3OH + 3NO3- + 4H2CO3→ 3C5H7NO2 + 20H2O + 3HCO3- (2.18) Phản ứng kết hợp 2 quá trình đồng hoá và dị hoá :
NO3-+1,08CH3OH+0,24H2CO3→0,056C5H7NO2+0,47N2+1,68H2O+HCO3- (2.19) NO2- + 0,53H2CO3 + 0,67CH3OH → 0,04C5H7 NO2 + 1,23H2O+ 0,48N2+ HCO3- (2.20)
Trường hợp có mặt oxi vi khuẩn sẽ ưu tiên sử dụng oxi làm chất nhận điện tử, phản ứng xảy ra :
O2 + 0,93 CH3OH + 0,056 NO3- →
0,056 C5H7NO2+1,04H2O+ 0,59 H2CO3 + 0,056 HCO3- (2.21) Theo lý thuyết lượng metanol cần thiết để khử NO3- trong trườnghợp không kể đến tổng hợp tế bào là 1,9 mg CH3OH/mg NO3-. Nếu kể cả tổng hợp tế bào, lượng metanol cần thiết tăng lên là 2,47 mg CH3OH/mg NO3- .
Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới quá trình phản nitrat :
o Ảnh hưởng của DO : Quá trình phản nitrat hoá xảy ra khi NO3- được vi sinh vật sử dụng làm chất nhận điện tử trong phản ứng oxi hoá chất hữu cơ thu năng lượng. Nếu trong môi truờng có oxi, vi sinh vật sẽ ưu tiên sử dụng oxi làm chất nhận điện tử, khi đó quá trình phản nitrat bị cản trở. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ oxi hoà tan là 12 mg/l không ảnh hưởng tới quá trình phản nitrat trong hệ thống lọc sinh học nhưng trong hệ thống bùn hoạt tính thì nồng độ oxi hoà tan nên nhỏ hơn 0,3 mg/l .
o Ảnh hưởng của nhiệt độ: Quá trình phản nitat có thể xảy ra trong khoảng 535oC . Nhiều loài vi khuẩn phản nitrat dễ thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ.
Do đó, điều quan trọng là xem xét sự khác nhau giữa ảnh hưởng của nhiệt độ trong thời gian dài và thời gian ngắn tới quá trình phản nitrat. Tốc độ tăng
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 13 trưởng của vi sinh vật và tốc độ khử nitrat đều chịu ảnh hưởng tác động của nhiệt độ. Cần phân biệt 2 dạng phản ứng đối với nhiệt độ trong quá trình phản nitrat. Dạng phản ứng thứ nhất là phản ứng nhiệt độ tức thời, có thời gian phản ứng thường nhỏ hơn so với phản ứng nhiệt độ lâu dài . Phản ứng nhiệt độ lâu dài là hỗn hợp của phản ứng tức thời và sự thích nghi của vi sinh vật .
o Ảnh hưởng của nồng độ cacbon: Ảnh hưởng của nồng độ cacbon tới tốc độ phản nitrat được mô tả bằng phương trình động học Monod sử dụng metanol làm nguồn cung cấp cacbon, phương trình như sau :
= (2.22)
M : nồng độ metanol , mg/l .
KM: Hằng số bán tốc độ . Giá trị của KMthường rất thấp, thường chấp nhận là : 0,1mg/l metanol .
o Ảnh hưởng của pH : Phản nitrat không thể xảy ra khi pH thấp vì ở điều kiện đó vi khuẩn phản nitrat không hoạt động. Nhiều nghiên cứu khác nhau chỉ ra các giá trị pH tối ưu cho quá trình phản nitrat khác nhau, nhưng phần lớn nghiên cứu đều cho thấy rằng tốc độ phản nitrat có giá trị cao nhất trong khoảng 7,0
7,5. Tác động của pH tới quá trình phản nitrat cũng phụ thuộc vào thời gian tác động. Trong quá trình kết hợp nitrat hoá - phản nitrat, pH thường ổn định do quá trình nitrat sinh ra axit nhưng được trung hoà bởi kiềm do quá trình phản nitrat hoá sinh ra.