1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại hợp chất chứa nitơ
1.2.2. Các phương pháp sinh học tách loại amoni
1.2.2.4. Phương pháp sinh học Anammox
Quá trình oxi hóa amoni yếm khí (Anaerobic ammonium oxidation -Anammox), trong đó, amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2 dưới điều kiện yếm khí với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N2. Đây là một phương pháp có hiệu quả và kinh tế so với quá trình loại bỏ amoni thông thường từ trong nước thải có chứa nhiều amoni. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp nitrat hóa và đề nitrat hóa thông thường là ở chỗ: đòi hỏi nhu cầu về oxi ít hơn và không cần nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài. Bước nitrat hóa bán phần phải được tiến hành trước để chuyển chỉ một nửa amoni thành nitrit. Sản phẩm chính của quá trình Anammox là N2, tuy nhiên, khoảng 10% của nitơ đưa vào (amoni và nitrit) được chuyển thành nitrat. Dựa trên cân bằng khối qua quá trình nuôi cấy làm giàu Anammox, phương trình của quá trình Anammox được đưa ra như sau [23].
NH4+ + 1,3 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ → 1,02 N2 + 0,26 NO3-
+ 0,066 CH2O 0,5 N0,15 + 2,03 H2O (1.21) [23].
Hình 1.6. Cơ chế sinh hóa giả thiết của phản ứng Anammox
Anammox là công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây. Nó không cần bất kỳ nguồn cacbon hữu cơ nào để loại bỏ nitơ. Vì vậy, nó đem lại lợi ích về kinh tế và mang lại nhiều tiềm năng cho xử lý nước thải có chứa amoni có hàm lượng cacbon hữu cơ thấp. Trong quá trình Anammox, amoni được chuyển thành N2
với nitrit là chất nhận điện tử. Vì vậy, tỷ lệ hàm lượng giữa nitrit và amoni là khoảng 1,3 và cần nguồn cacbon vô cơ, vì vậy, phải bổ sung HCO3- [16].
Sự kết hợp hai quá trình nitrat hóa bán phần và quá trình Anammox dựa trên thực tế rằng: nitrit là hợp chất trung gian trong cả hai quá trình. Vì vậy, nitrat hóa bán phần để chuyển 1/2 amoni thành nitrit là thuận tiện và kinh tế; theo sau đó là quá trình Anammox đảm bảo loại bỏ toàn bộ nitơ thông qua quá trình hoàn toàn tự dưỡng. Nhu cầu oxi giảm đi chỉ còn 62,5% và tiết kiệm được đáng kể giá thành do không phải bổ sung thêm cacbon hữu cơ so với hệ thống nitrat hóa – đề nitrat hóa thông thường [23].
Tuy nhiên, quá trình Anammox khó áp dụng cho việc xử lý nước thải thực tế.
Trở ngại chính để ứng dụng quá trình Anammox là đòi hỏi một giai đoạn bắt đầu lâu dài (long startup period), chủ yếu là do tốc độ sinh trưởng chậm của vi khuẩn Anammox (thời gian nhân đôi là khoảng 11 ngày). Thêm vào đó, vi khuẩn Anammox là vi khuẩn yếm khí và tự dưỡng hoàn toàn nên chúng khó để nuôi cấy. Vì vậy, chúng chưa được phân lập trong môi trường nuôi cấy thuần túy (pure culture). Do đó, việc am hiểu về sinh lý học và động lực học của vi khuẩn Anammox là rõ ràng và có ý nghĩa lớn [13].
Trong những năm gần đây, quá trình anammox đã nhận nhiều được sự quan tâm và nghiên cứu. Từ những nghiên cứu này cho thấy: có ít nhất hai khả năng cho quá trình oxi hóa amoni yếm khí tồn tại trong tự nhiên. Vi khuẩn oxi hóa amoni “hiếu khí”
bao gồm Nitrosomonas eutropha giảm nitrit hoặc nitơ đioxit với hydroxylamine, hoặc amoni là chất cho điện tử dưới điều kiện yếm khí. Tốc độ oxi hóa amoni yếm khí lớn nhất là khoảng 2 nmol NH4+ min-1 (mg protein)-1 sử dụng NO2 là chất nhận điện tử.
Trong phản ứng này, NO là chất trung gian, trong quá trình Anammox với nitrit là chất nhận điện tử, tốc độ oxi hóa có thể lên đến 55 nmol NH4+ min-1 (mg protein)-1 [22].
Hình 1.7. Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia - Ứng dụng quá trình anammox
Công nghệ oxi hóa amoni kị khí (Anammox) là công nghệ có tiềm năng và hiệu quả kinh tế cao hơn việc loại bỏ amoni có trong nước thải bãi chôn lấp, nơi chứa hàm lượng cao amoni và các chất hữu cơ khó phân hủy. Để quá trình Anammox xảy ra hoàn toàn cần một bước nitrat bán phần trước để tạo thành tỷ lệ thích hợp giữa NO2-/NH4+.
Người ta cũng đã ứng dụng quá trình Anammox vào xử lý dòng thải của công nghiệp cá hộp. Dòng thải này có độ mặn tương tự như nước biển, hàm lượng chất hữu cơ, protein cao. Quá trình phân hủy yếm khí dòng thải này đã loại được khoảng từ 70 - 90%, dẫn đến tạo thành một lượng lớn amoni (5000 mg/L) do sự phân hủy của protein.
Vì vậy, dòng thải có một tỉ lệ C/N thấp. Điều này phù hợp cho dùng phương pháp Anammox kết hợp với Sharon để xử lý [12].
Nước thải chứa hàm lượng cao của amoni và ít chất hữu cơ như dòng ra của thiết bị phân hủy bùn cũng được xử lý bằng phương pháp này. Tuy nhiên, các điều kiện về trao đổi chất nghiêm ngặt và tốc độ sinh trưởng cực chậm của vi khuẩn anammox đã hạn chế việc ứng dụng vào những thiết bị phản ứng quy mô lớn. Mặc dù vậy, có một vài thành công trong việc ứng dụng anammox vào nước thải công nghiệp thực tế [12].