Quá trình loại Nitơ bằng phương pháp sinh học truyền thống gồm 2 giai đoạn. ở
giai đoạn 1: Ammonium bị Nitro hĩa nhờ các vi sinh vật tự dưỡng với O2 như là chất nhận điện tử. Quá trình Nitro hĩa cĩ thể biểu diễn như sau:
NH4++ 1,5O2 → NO2- + 2H+ + 2H2O (1)
NO2- + 0,5O2 → NO3- (2)
Vi khuẩn tham gia phản ứng (1) oxy hĩa ammonium, chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira,... Các vi khuẩn tham gia phản
ứng (2) oxy hĩa nitrite chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus...
Giai đoạn 2: Khử Nitrate thành Nitơ nhờ vi sinh vật dị dưỡng với các hợp chất hữu cơ (Methanol, Acetate, Ethanol, Lactate, Glucose) như là chất cho điện tử. Quá trình khử Nitrate cĩ thể biểu diễn như sau:
2NO3- + 10H+ + 10e- → N2 + 2OH- + 4H2O (3) 2NO2- + 6H+ + 6e- → N2 + 2OH- + 2H2O (4)
Các vi khuẩn tham gia quá trình khử nitrate chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi
Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus...
Hai quá trình này xảy ra trong các điều kiện hồn tồn khác nhau, vì vậy, để xử
lý Ammonium thành Nitơ phải kết hợp hai quá trình riêng biệt (qua 2 bước). Quá trình Nitrate hĩa Ammonium cần cung cấp Oxygene, cho sản phẩm NO2- và NO3-. Quá trình khử Nitrate thành Nitrogene cần COD, cho sản phẩm N2.
Quá trình xử lý Ammonium truyền thống cĩ hiệu suất xử lý cao (95%), tải lượng xử lý NH4+-N từ 2 – 8 kgN/m3.ngày, nhưng địi hỏi phải kiểm sốt pH, cung cấp Oxy và COD, khơng giữ sinh khối, sinh ra một lượng bùn lớn. Chi phí đầu tư trung bình, chi phí vận hành cao.
Quá trình SHARON
SHARON (Single Reactor System for High Ammonia Removal Over Nitrite), là quá trình Nitro hĩa một phần Ammonium thành Nitrite theo phản ứng:
NH4++ HCO3- + 0,75O2 → 0,5NH4+ + 0,5NO2- + CO2 + 1,5H2O (5)
Quá trình SHARON địi hỏi cung cấp ít Oxy, khơng phải khống chế pH, nhu
cầu COD thấp, khơng giữ sinh khối, bùn sinh ra ít, sản phẩm tạo thành là NO2-, NH4+, khả năng xử lý NH4+-N từ 0,5 - 1,5kgN/m3.ngày, hiệu suất xử lý 90%. Chi phí
đầu tư trung bình, chi phí vận hành thấp.
Quá trình CANON
Báo cáo tổng hợp: Đề xuất phương án cơng nghệ khả thi để cải tạo HTXL NRR hiện hữu tại BCL Gị Cát trên cơ sở áp dụng các kết quả của các ĐTNC do Sở KHCN Tp. HCM chủ trì giai đoạn 2000-2007
oxy hĩa giới hạn Ammonium thành Nitrogene theo phản ứng:
NH4++ 0,85O2 → 0,435N2 + 0,13NO3- + 1,4H+ + 1,3H2O (7)
Quá trình CANON là kết hợp hai quá trình trong một bể phản ứng.
Trong điều kiện cung cấp Oxy giới hạn, NH4+ bị oxy hĩa một phần thành NO2-
(quá trình SHARON) bởi các vi khuẩn nitrifier như Nitrosomonas và Nitrososira
theo phản ứng:
NH4++ HCO3- + 0,75O2 → 0,5NH4+ + 0,5NO2- + CO2 + 1,5H2O (7a) Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn ANAMMOX (Planctomycete) biến đổi NH4+ và NO2- mới tạo thành thành N2 theo phản ứng:
NH4++ 1,3NO2- → 1,02N2 + 0,26NO3- + 2H2O (7b)
Trong phản ứng này, Nitrite đĩng vai trị chất nhận điện tử.
Quá trình CANON địi hỏi cung cấp Oxy giới hạn, khơng phải khống chế pH, khơng cần hoặc cần rất ít COD, duy trì sinh khối, bùn sinh ra ít, sản phẩm tạo thành là N2, NO3-, khả năng xử lý NH4+ từ 2 - 3kgN/m3.ngày, hiệu suất xử lý 90%. Chi phí
đầu tư trung bình, chi phí vận hành thấp.
Vi khuẩn ANAMMOX và cơng nghệ ANAMMOX
Quá trình ANAMMOX đã được Broda dự báo từ năm 1977 trên cơ sở tính tốn nhiệt động học. Theo ơng, tồn tại các vi khuẩn tự dưỡng cĩ khả năng oxy hĩa Ammonium bởi Nitrate và Nitrite, và phản ứng này, về mặt năng lượng, cịn dễ xảy ra hơn việc oxy hĩa bằng Oxygene phân tử (Broda, 1977):
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O Go = - 357 KJ/mol (1)
5NH4+ + 3NO3- → 4N2 + 9H2O + 2H+ Go = - 297 KJ/mol (2)
NH4+ + 1,5O2 → NO2- + H2O + 2H+ Go = - 275 KJ/mol (3)
Năm 1995, Mulder và các đồng sự xác định được phản ứng ANAMMOX qua
theo dõi cân bằng Nitơ trong bể phi nitro hĩa, qua đĩ cho thấy cĩ sự giảm nồng độ
Ammonium đồng thời với nồng độ Nitrat và Nitrit cùng với sự sinh ra Nitơ phân tử
(Mulder et al., 1995).
Các kết quả nghiên cứu của Van de Graaf và các đồng sự trong các năm 1995,
1996, cũng xác nhận quá trình ANAMMOX, theo đĩ, ANAMMOX được xác định là
một quá trình sinh học, trong đĩ Amonium bị oxy hĩa (chất cho điện tử) trong điều kiện kỵ khí cịn Nitrit là chất nhận điện tử, chất tạo thành là Nitơ phân tử.
Từ kết quả nghiên cứu phản ứng ANAMMOX về cân bằng khối lượng, Strous và các đồng sựđưa ra phương trình: (Strous et al., 1998)
NH4++ 1,31NO2- + 0,066HCO3- + 0,13H+ →
1,02N2 + 0,26NO3- + 0,066CH2O0,5N0,15 + 2,03H2O (4)
Trong những năm tiếp theo, quá trình ANAMMOX được nhiều nhà khoa học
khẳng định và nghiên cứu sâu hơn vềđiều kiện và khả năng hình thành và phát triển vi khuẩn ANAMMOX cũng như cấu tạo và phân loại chúng
Quá trình ANAMMOX sử dụng vi sinh vật tự dưỡng oxy hĩa kỵ khí ammonium
thành khí nitơ và một phần thành NO3- dưới sự hiện diện của nitrite như là chất nhận
điện tử mà khơng phải cung cấp thêm nguồn cacbon hữu cơ nào. Hydrazin (N2H4) và hydroxylamin ([N2H2]) được biết như là những chất trung gian của quá trình. CO2
là nguồn cung cấp carbon chính cho hoạt động của vi sinh vật. Cân bằng khối lượng
của quá trình ANAMMOX theo Strous et al., 1998 được thể hiện theo phương trình
phản ứng (4).
Sự chuyển hĩa của Ammonium trong quá trình oxy hĩa kỵ khí Ammonium
được biểu diễn trong hình 3.6:
Hình 3.6. Sự chuyển hĩa của Ammonium trong quá trình ANAMMOX
Theo đĩ, NO2- oxy hĩa NH4+ thành N2H4 qua sản phẩm trung gian là NH2OH, sau đĩ, N2H4 khử NO2- thành NH2OH, và N2 (Van de Graaf et al., 1997).
Cơ chế sinh hĩa của quá trình ANAMMOX (theo Lindsay M.R. et al, 2001)
Báo cáo tổng hợp: Đề xuất phương án cơng nghệ khả thi để cải tạo HTXL NRR hiện hữu tại BCL Gị Cát trên cơ sở áp dụng các kết quả của các ĐTNC do Sở KHCN Tp. HCM chủ trì giai đoạn 2000-2007
Hình 3.7. Cơ chế sinh hĩa của quá trình ANAMMOX
Trong đĩ, HH: enzyme định hình Hydrazine; HZO: enzyme oxy hĩa Hydrazine;
NIR: enzyme khử Nitrite
Cấu tạo tế bào của vi khuẩn ANAMMOX thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3.8. Cấu tạo tế bào của vi khuẩn ANAMMOX Bên trái: sơđồ cấu tạo
Bên phải: Vi khuẩn Candidatus Brocadia ANAMMOXidans qua kính hiển vi
điện tử
Về mặt phân loại, vi khuẩn ANAMMOX thuộc ngành Planctomycetes, bộ
Planctoycetales (Schmid M.C et al., 2005), được biết là một nhĩm các vi khuẩn cĩ nhiều đặc điểm riêng biệt như thành tế bào khơng chứa peptidoglycan, sinh sản bằng
đâm chồi, phân khoang nội bào… (Jetten et al., 2001).
Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn ANAMMOX rất chậm (thời gian nhân đơi khoảng hơn 3 tuần). Vi khuẩn ANAMMOX cĩ thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ
từ 20 đến 43oC (tối ưu là 40oC), pH 6,4 - 8,3 (tối ưu là 8,0) và hoạt tính
ANAMMOX bịức chế hồn tồn khi nồng độ Oxy bão hịa trên 0,5% (Strous et al.,
1999).
Khả năng ứng dụng của quá trình ANAMMOX hiện nay đang bị hạn chế bởi khả năng cạnh tranh của các lồi vi khuẩn ANAMMOX. Sự phân lập và làm giàu vi khuẩn ANAMMOX từ hỗn hợp nhiều loại vi sinh khác nhau địi hỏi tạo mơi trường thích hợp cho quá trình ANAMMOX và ngăn chặn được sự phát triển của các lồi vi sinh vật khác. Đặc biệt, quá trình ANAMMOX diễn ra trong điều kiện kỵ khí hồn tồn, sự ngăn chặn oxy hịa tan là yếu tố cần thiết trong suốt quá trình phản ứng.
Một trong những thử thách của quá trình ANAMMOX là thời gian khởi động rất lâu, bởi vì hàm lượng ban đầu và tốc độ phát triển của vi khuẩn ANAMMOX là rất thấp.
Trên cơ sở các phát hiện mới về quá trình ANAMMOX, chu trình chuyển hĩa
nitơ trong tự nhiên được bổ sung thêm mắt xích mới, mắt xích ANAMMOX (Hình
3.9).
Hình 3.9. Chu trình nitơ trong tự nhiên mới cĩ mắt xích ANAMMOX