khảo sát quá trình chuyển hóa nitơ bằng phương pháp nitrate hóa và anammox

Các chất huyền phù ngăn cản sự đâm xuyên của ánh sáng mặt trời xuống đáy nước gây hạn chế quá trình quang hợp của thực vật nhất là những loại rong biển nhờ vào ánh sáng mặt trời mà tạo r

Đồ án tốt nghiệp GVHD:Th.s:Lê Công Nhất Phương

MỤC LỤC Chương I: MỞ ĐẦU

II.1.Tổng quan tài liệu trong nưƠÉ - + 2 2 52S+S+£E+EEeEeEeEerveexexeezers 4

II.1.1Tổng quan về nước thải 55 S+x++sxeeerererrererereees 4 II.1.2 Tổng quan về nước thải nhà máy sữa - 6

H 1.3.1 Hợp chất NitƠ . 555cc St seversesereeeree 7 IL.1.3.2 Sự tác động vi sinh vật và ảnh hưởng của nó

VOI HOp CHAT NitG 11

a) Quá trình amon hóa UF© - - «« - << «+ <+ 11

b) Quá trình Nitrat hóa .- -ẶĂSSS s2 12

H 1.3.3 Các tính chất cơ bản .- - 5 +5<+5 << s2 16

a) Tinh chat của Amonium - - + << ++<s+ss2 16 b) Tinh chat của Nitrit - 55 << scseessssssss 17 is) 17 II.1.3.5 Ludng Oxy hoa tan (Disolved Oxygen —DO) 18 H.1.3.6 Nhu cầu oxy ho á - 55c S<x+sEkeerrrrrerxks 18 H.1.3.7 H àm lượng chất rắn hoà - =< 5552 18 I.2 T ổng quan tài li ệu n ư Ớc ngO ài .-. - 5-55 St eeseeei 19

II.2.1.Tổng quan về tình hình nghiên cứu ammonium trên

"0.8.0 19 II.2.2 Tổng quan về kỹ thuật xử lý Nitơ truyền thống 21

II2.3 Giới thiệu quá trình Canon 5-55 55s ereee 27

II.2.4 Giới thiệu quá trình Sharon - 5 5S Sen ven 28 H.2.5 Giới thiệu về oxy hoá ky khí Amonium (Anammox) 30

II 2.5.1 Phương pháp khử Amonium sinh học 30

I.2.5.2 Phương pháp oxy hóa ky khí Amonium f0) 90-4 31

II.2.5.3 Vi sinh học của AnammoX) -<<<sss+ 37

Chương III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU V À TH UC NGHI EM

HII.1 Cấu tạo mô hình . G s kEskkEE3EExvE SE EEgxErv g1 6 5ecgkg 42

HI.2.Hoạt động mô hình - 55 S3 1 2n ke 43

II 30:1) 130i ì:0: 1.1 44

TII.3.1 DO j.n 44

ii z2? 99 44

HI.3.3 Xác định chất rắn lơ lửng - 5 5+3 s+s+vsseessres 44

HI.3.4 Xác định COD - CG c ch như 45

IIIL.3.5 Xác định hàm lượng Nitrate -. =5 S+eSeesieeeesee 48 III.3.6 Xác định hàm lượng Itrite . ẶẶccS‡ S22 sec 50

IIIL3.7 Xác định hàm lượng Ammonium << << =z=+ 53 III.3.8 Xac dinh ham ludng Photpho cc cseessssssssseeeeeessssenanees 55 Chuong IV KET QUA VA BIEN LUAN cecssecssescsesesssessesssessesseesssesssessees 58

IV.1 Hiệu suấ xử lý nồng độ Ammonium -.- - + + + +s+++5+s+*=+s+s£+++s<2 58 IV.2 Mối quan hệ giữa hiệu suất và pH 5 5-5 ssĂsssss+vsees<ee 60 IV.2.1 Mối quan hệ giữa hiệu suất và pH quá trình Nitrate hoá 61 IV.2.2 Mối quan hệ giữa hiệu suất và pH quá trình Anammox 62 IV.3 Hiệu suất xử lý Ammonium của mô hình 5-5-5 =5«<<<2 63

IV.4 Biện luận tổng nồng độ Nitơ sinh ra . - 5 -s5<=+s 64

Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, - 2 + s+E++Ee2£sezrxrze 61

1000200979004 71

Đồ án tốt nghiệp GVHD:Th.s:Lê Công Nhất Phương

BẢNG TỪ VIẾT TẮT

Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation): Oxy hoá kị khí Amonium

AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria): Vi khuẩn oxy hoá Amonium

BOD (Biochemical Oxygen Demand): Nhu cầu oxy sinh hoá

COD (Chemical Oxygen Demand): Nhu cau oxy hod hoc

DO (Disolved Oxygen): Lugng oxy hoa tan

N/DN (Nitrification/Denitrification)

NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria): Vi khuẩn oxy hoá Nitrit

SNBR (Shortcut Biological Nitrogen Removal): Quá trình loại N theo đường tắt

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

SHARON (Single reactor for High activity Ammonium Removal Over Nitrite) :

Quá trình nitrate hoá cục bộ

Hình 5 Cơ chế chuyển hoá của AnamimOX - 5 ++s£s«++xesezeeerree 37

Hình 6 Cây phát sinh loài của các vi khuẩn Anammox - Quan hệ giữa các chi

và dòng có hoạt tính AnarmmmOX - - -‹ « « «+ + s93 1 1 1 1 1 nhe 39 Hinh 7 1:88:18 1.717 68 I50i1i0 1051 11 68 Hình 9 Thùng chứa môi trưỜng - - .- - «+ - «+ + E9 3 11 1n g3 4151 re 69 Hinh 10 M6 Binh 2.00.0 69

Hình 11 Vi khuẩn Nitrosomonas .cccccccssscsessseseseeeseeseseseseseeseeeesensseeseeeees 70

LOI CAM ON

Trong suốt thời gian học vừa qua trên ghế nhà trường Đại học Dân lập

Kỹ thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh em đã được các thầy cô trong trường đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Môi trường tận tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu Sau hơn bốn năm học tập đó em đã tổng hợp những gì mình đã học để làm nên quyển đồ án này

Trong thời gian thực hiện để tài luận văn tốt nghiệp em cũng nhận được nhiễu sự quan tâm và giúp đỡ của quý thầy Không có gì hơn em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.s Lê Công Nhất Phương đã tận tình

hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Và sau cùng là xin gửi lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình thực hiện dé tai nay

Em xin chân thành cảm on !

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2005

Sinh viên thực hiện

Lê Nguyễn Thị Xuân Trang

và Việt Nam nói riêng đều quan tâm vấn để ô nhiễm Do nhịp độ đô thị hoá với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật và phát triển mạnh mẽ của các ngành sản xuất công nghệ, chế biến đã làm môi trường biến đổi một cách rõ rệt Tất cả sự phát triển ấy đều hướng đến việc tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu của con người, tạo điểu kiện cuộc sống ngày càng phong phú Nhưng qua đó các khu công nghiệp, các nhà máy lại thải vào môi trường một lượng chất thải độc hại như tiếng ổn, bụi, chất thải rắn lỏng khí làm cho môi trường ngày càng ô nhiễm nặng Vì vậy, vấn để ô nhiễm hiện nay rất nan giải cho nên vấn để bảo

vệ môi trường đã được con người trên toàn thế giới quan tâm đến

Việt Nam là nước đang phát triển, chính vì vậy người ta thường coi nhẹ

vấn để môi trường nhà nước chưa quan tâm do đó phải đương đầu với tình trạng

ô nhiễm xuất hiện Việc xây dựng các hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn

kỹ thuật môi trường chưa được thực hiện do kinh phí tốn kém mà sự đầu tư của

Nhà nước cho vấn để này còn nhiều hạn chế Vì vậy các công tác nghiên cứu, tìm kiếm những giải pháp kỹ thuật mới và chi phí thấp nhằm làm sạch môi trường nước là việc rất cấp bách và cấn thiết cho thời ký hiện nay

Theo sau nhu câu cải tiến công nghệ xử lý nitơ, trong những năm gần

đây, các nhà khoa học trên thế giới đã phát hiện ra các phản ứng chuyển hóa

nitơ mới, có khả năng loại trừ nitơ có nồng độ cao trong nước thải Đó là quá

trình ANAMMOX ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) là phản

ứng oxy hóa ky khí, trong đó ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều

kiện ky khí, không cần cung cấp chất hữu cơ để tạo thành nitơ phân tử Sự liên

kết giữa quá trình nitrate hóa và quá trình Anammox mang lại lợi ích là giảm chi phi cho nhu cầu năng lượng và nguồn carbon cung cấp cho vi khuẩn phát

triển so với các quá trình cổ điển trước đây Đây là một hướng mới cho kỹ thuật

xử lý nitơ, vì vậy việc nghiên cứu các quá trình này để xử lý ammonium trong

nước thải ở điều kiện Việt Nam là cần thiết, nhằm xem xét rõ hơn về qui trình hoạt động, hiệu quả của phương pháp khá mới này

L2 Mục tiêu, nội dung nghiêm cứu

1.2.1 Mục tiêu

Theo dõi sự phát triển vi khuẩn Nirosomonas với giá thể và làm giàu vi

khuẩn Anammox với bùn sữa có khả năng khử Ammonium để biết hiệu quả của

phương pháp xử lý và ứng dụng thực tế

1.2.2 N6i dung

- Thiết lập mô hình để xử lý Ammonium theo quá trình Nitrate hóa -

Anammox trong phòng thí nghiệm

- Vận hành mô hình, tiến hành phân tích các chỉ tiêu N-NH¿, N-NO;, N-

NO¿, 3P, COD, SS, pH trong từng quá trình

- _ Tổng kết số liệu, xử lý số liệu, đánh giá hiệu quả của từng quá trình 1.2.3 Phương pháp nghiêm cứu

- Phương pháp thực nghiệm bằng mô hình trong điều kiện phòng thí nghiệm

- - Phương pháp so sánh

- Phương pháp phân tích, xét nghiệm các chỉ tiêu của nước thải theo tiêu

chuẩn Việt Nam

L3 Phạm vỉ nghiêm cứu Thời gian nghiên cứu hạn chế nên khảo sát khả năng xử lý Ammonium

giá thể vô cơ và bùn sữa từ nhà máy sữa Tường Thọ - Quận Thủ Đức, còn nhiều loại giá thể và loại bùn khác chưa được khảo sát

I4 Ý nghĩa đề tài

Đây là để tài mới được nghiêm cứu ở Việt Nam trong những năm gần

đây nên có tính khoa học cao nhằm tạo cho các nghiêm cứu tiếp theo và khả năng ứng dụng sinh học hiếu khí với vi khuan Nitrosomonas va ky khi véi

Đồ Ấn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

Chương II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU

II.1 Tổng quan tài liệu trong nước

HI.1.1 Tổng quan về nước thải

Trong thời buổi phát triển nễn văn minh nhân loại nhu cầu về nước ngày

càng tăng, do đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều mức độ ô nhiễm ngày

càng trở nên trầm trọng Nước thải đưa vào nước bể mặt những thành phần

khác nhau, từ trạng thái tan hoặc đưới dạng huyền phù hay nhũ tương cho đến

các loại vi khuẩn Do tương tác hoá học của các chất đó và cũng do sự thay đổi

pH của môi trường nên các sản phẩm thứ cấp được tạo thành Chẳng hạn như quá trình oxy hoá muối Fe?” trong nước thành Fe”" hydroyt không tan Các chất kết tủa và huyền phù trong nước ngăn cẩn sự phát triển của vi khuẩn tham gia vào quá trình làm sạch nước Các chất huyền phù ngăn cản sự đâm xuyên của ánh sáng mặt trời xuống đáy nước gây hạn chế quá trình quang hợp của thực

vật nhất là những loại rong biển nhờ vào ánh sáng mặt trời mà tạo ra được oxy

cần thiết cho các quá trình oxy các chất hữu cơ Một số chất hữu cơ và vô vơ tan trong nước có ảnh hưởng độc hại đến sự phát triển của vi sinh vật trong đó

có cả những chất mang tính acid và bazơ vì nó làm thay đổi giá trị pH trong

nước (pH<6.8 và pH>8 là hạn chế sự phát triển một số vi khuẩn làm sạch trong

nước)

e Ham lượng N-NH¿ trong nước thải nhiều, nước sẽ đục và có mùi rất hôi

Do đó nước thải khi chưa qua khâu xử lý không thể thải vào môi trường

vì nó có mùi rất khó chịu Tuy nhiên hàm lượng đạm có trong nước thải

cũng là nguồn dinh dưỡng cho một số loại thực vật như: lục bình, bèo,

rong Do đó người ta lợi dụng nó làm phương tiện khử ammonium

e_ Hàm lượng nitrate (N-NO;) trong nước nằm trong giới hạn 0.1 -10mg/1 Liều lượng nitrate tối thiểu gây độc hại đối với thực vật có than nhiệt ổn định là 117mg/kg thể trọng Khi hàm lượng nitrate trong nước lớn hơn 0.3mg/1 tảo sẽ phát triển

e Nitrate và các sản phẩm khử của nó làm thay đổi tính miễn dịch cơ thể,

độc cho phôi thai Do đó người ta đã tìm nhưỡng cửa an toàn của nitrate trong thực phẩm và nước

e Khi hàm lượng Nitơ trong nước nhiều thì nguồn nước chưa có hại cho

động thực vật sống thích hợp ở môi trường ngập mặn như tôm, cua

e_ Khi hàm lượng Nitơ trong nước cao có nguy cơ tích luỹ trong thực vật N-

NO¿, N-NO; và nitrozoamin Các sản phẩm là hợp phân tự nhiên của

quá trình chuyển hoá hợp chất nitơ Tuy nhiên, nếu tích luỹ số lượng lớn

sẽ gây nguy hiểm

e Hầu hết nitơ trong nước thải ở dạng hữu cơ, một phần nhỏ ở dạng khoáng Nitơ hữu cơ đưới tác dụng của nấm, vi khuẩn bị phân giải Ở

dang N-NH4 Ở điều kiện thuận lợi (nhiệt độ thích hợp và thoáng khí)

N-NH; bị biến đổi thành N-NO; được gọi là quá trình nitrat hoá Nitrate hoá là một quá trình biến đổi Nitơ có ý nghĩa về độ phì nhiêu của đất Sau đây là một chất thải có mặt trong nước thải của các ngành sản xuất công nghiệp:

e_ Đồ da: canxi, hydrosunfua, natrisunphat, crom, kẽm

e_ Đồ gốm: bari, cadimi, liti, mangan

e Nhà máy sơn: bari, clorat, cadimi, coban, kẽm chì, amoni, xút, các

acid và các chất hữu cơ

e Thuốc trừ sâu: đồng, bari, asen, silic, flo, clo và một số chất hữu

co

e_ Hoá dầu: các acid, kim loại, cÌo, sunfat và các chất hữu cơ

e_ Công nghiệp chăn nuôi: vi sinh, các chất hữu cơ vi trùng, COD, N-

NHạ, N-NO¿a, N-NO;

e Chế biến sữa: các chất hữu cơ, các chất tẩy rữa như acid nitric ; các chất sát khuẩn như perpcid hydro, acid acetic; các chất trung

hoà và các chất làm lạnh (CEC, ammoniac )

II.1.2 Tổng quan về nước thải từ nhà máy sữa Nước thải từ nhà máy sữa chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, các chất tẩy rửa thừa; các chất sát khuẩn như perpcid hydro, acid acetic,

natrihypochlorid; các chất trung trung hoà như acid sulfic, acid nitric và các

chất làm lanh nhu CFC, anmoniac Néng d6 va thành phần của các chất này

dao động tuỳ thuộc vào quy mô nhà máy và trọng tâm của nhà máy Ở những

nơi sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau, việc chuyển từ sản xuất một sản phẩm này sang một sản phẩm khác cũng có ý nghĩa là nguy cơ về lượng chất tiêu thụ oxy và nước thải lớn hơn ở những nơi sắn xuất chỉ ít chủng loại sản phẩm Nhà máy sản xuất sữa có thể bao gồm sản xuất nhiều sản phẩm như chế biến sữa, sản xuất bơ, sản xuất phomat, sản xuất sữa bột

Nước thải từ nhà máy sữa phù hợp với các nhà máy nước thải ở địa phương Tuy nhiên nếu lượng nước thải quá lớn sẽ gây ra quá tải Ảnh hưởng của vấn để này đối với việc xử lý nước thải quá lớn sẽ gây ra quá tải Ảnh hưởng của vấn để này đối với việc xử lý nước thải là sự hình thành số lượng

lớn các vi khuẩn các cặn sẽ khó lắng Trong vòng 24h, lưu lượng dòng chảy và

lượng chất gây ô nhiễm rất nhiều, pH nước thải cũng dao động nhiều như việc thải ra các dung dịch tẩy rửa acid hoặc kiểm trong các giai đoạn khác nhau của chu kỳ sản xuất

Các nhà máy có thiết bị hiện đại tạo ra lượng nước thải nhất định Các

nhà máy với khâu sản xuất phomat, chất béo thực phẩm thường dùng nhiều nước hơn khoảng 2-3m' /tấn sữa, hàm lượng BOD; tăng tới 1-5kgBOD;/tấn sữa Theo báo cáo, lượng chất béo trong nước thải đạt mức 45-230g chất béo/mẺ

Nhưng sự khác nhau về lượng nước tiêu thụ và mức độ ô nhiễm, nhìn chung là

do điều kiện cụ thể của từng nơi như trang thiết bị, trọng tâm sản xuất

Cứ ImỶ sữa tạo ra 1,31 cặn

Nước thải ra cần có pH=6,5 giới hạn trên của pH cần phải phù hợp với điều kiện của địa phương

Lượng nước tiêu thụ và lượng nước gây ô nhiễm/1 tấn sữa đã qua chế biến được quy định như sau:

e Sữa và kemsữa I-2m”-1l,5 kg BOD;

e Bo va phomat 2-3m” khoảng 2 kg BOD, Giá trị bình thường của nước thải từ nhà máy sữa:

e© Lượng nước thải 1-3m”/tấn sữa

e Tổng lượng photpho 10-70g/m”

e Tổng lượng nitơ 15-250g/m”

IL1.3 Cơ sở lý thuyết

11.1.3.1 Hep chat cua Nitơ:

Hợp chất Nitơ trong nước tự nhiên là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật thủy sinh

Trong thiên nhiên Nitơ có thể tổn tại ở các đạng sau:

e_ Các hợp chất nitơ hữu cơ dạng protein hay dạng sản phẩm phân rã

e Amoniac hay các mudi Amonium nhu: NH,OH, NH4NO3, (NH4)2SQ34

e_ Các hợp chất dưới dang NO, va NO;

e Nito ty do

Trong nước có thể xảy ra các quá trình biến đổi oxy hoá như sau:

Protein —» NH,’ Vi khuẩn nữrosomonas NO, nitrobacter NO; khv nitrat

Oxy hoá

Nguyên nhân hình thành các loại ion này tương tự như nhau và có thể

chuyển hoá lẫn nhau, do đó có thể gộp lại thành 1 nhóm để nghiên cứu

Nguồn gốc của N-NHa, N-NO; và N-NO; trong nước tự nhiên vẫn là các

chất hữu cơ phức tạp có chức abumin bắt nguồn từ động vật và thực vật Tác

dụng sinh hoá phức tạp sinh ra với sự tham gia của các loại vi khuẩn và men

làm cho abumin phân giải thành axit amino và sau khi thuỷ phân sẽ tách ra khí

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

Hàm lượng N-NH¿ có trong nước tự nhiên là dưới 0,05ppm Lượng ammonium trong nước thải từ các khu dân cư, các nhà máy hoá chất và các

công ty chế biến thực phẩm là khá cao

Theo quy định về nước uống của Việt Nam, lượng ammonium tối đa là nhỏ hơn 1,5ppm N-NH; trong nước tự nhiên tương đối không ổn định Dưới tác dụng của các yếu tố về hoá học, vật lý và sinh hoá, nó có thể chuyển hoá hợp chất khác của Nitơ Khi có đủ oxy, dưới tác dụng của 1 số yếu tố đặc biệt, N-

NH, c6 thé bi oxy hod thành N-NO,:

2NH; + 302 = 2HNO, + 2H,O

Tác dụng Nitơ hoá không dừng lại ở đó mà dưới tác dụng của 1 số vi

khuẩn khác, N-NO; lại bị oxy hoá thành N-NOa,

2HNO; + O; =2HNO;

Dưới tác dụng của vi khuẩn đặc biệt, N-NO; lại có thể bị phân giải và tác dụng này gọi là tác dụng khử nitơ Nó thường tiến hành dưới điều kiện thiếu oxy khi không có hợp chất chứa nitơ Khi tác dụng này xảy ra thì N; và

CO; được tách ra

4NO; + 5C = 2CO¿” + 2N; + 3CO¿

Nguồn quan trọng khác làm cho nước mưa phong phú thêm N-NO; vẫn

là khí NO; sinh ra khi có sự phóng điện trong không khí, khí NO; sẽ bị nước

mưa hấp thụ và rơi xuống đất, có thể biểu thị bằng sơ đồ sau:

Đồ An Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

Nitơ trong không khí

Nitơ trong động vật Nitơ trong axitamino NH,"

N-NO; là 1 trong những chất trung gian của chu trình Nitrogen cùng với các dạng hữu cơ khác nhau như N-NH¿, N-NOa và 1 lượng nhỏ NÑ-NO; cũng

biểu thị sự ô nhiễm hữu cơ lẫn vô cơ

N-NO¿ không ổn định vì thế hàm lượng của nó trong nước, trên mặt đất thích nghi để tiến hành oxy hoá là rất nhỏ (chỉ độ vài phần trăm, thậm chí chỉ vài phần trăm nghìn ppm)

Nhưng trong nước ngầm, đặc biệt là trong tầng chứa nước bên trên thì hàm lượng N-NO; lại tăng lên rất rõ rệt.Giới hạn cho phép của TCVN-5942-

1995, trong nước mặt:N-NO;<=0,03mg/1(#N-NO;<=0,01mg/l)

Trong tiêu chuẩn dành cho nước sinh hoạt là nước uống không được có N-NO; vì nó là độc tố

NOy là ion thoái hoá hoàn toàn trong chất hữu cơ có gốc nitơ trong chu

trình Nitrogen

Do việc sử dụng nước uống có hàm lượng N-NO; cao có khả năng gây

độc hại đối với người vì khi vào cơ thể trong điều kiện thích hợp, ở hệ tiêu hoá

chúng sẽ chuyển hoá thành nitrite, kết hợp với hồng cầu tạo thành hợp chất

không di chuyển oxy gây bệnh thiếu máu (mathemoglobinemia) Ngoài ra,

nitrite còn kết hợp với amin thứ cấp tạo thành notrosamine gây bệnh ung thư

II.1.3.2 Sự tác động của các vỉ sinh vật và ảnh hưởng của nó với hợp chất nỉtơ:

- Sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên nhờ vi sinh vật

Vi sinh vật tham gia khép kín chu trình tuần hoàn của nguyên tế Nitơ trong tự nhiên Các vi sinh vật amon hoá sẽ phân huỷ các hợp chất nitơ hữu cơ tạo ra N-NH¿, CO; và HO Hợp chất N-NH¿ này lại bị các vi sinh vật nitrate

hoá biến thành Nạ, Nitơ phân tử lại được vi sinh vật cố định đạm tạo thành N- NH¿ Các muối nitơ, N-NH¿, N-NO; do vi sinh vật tạo ra sẽ là nguồn Nitơ cho thực vật và vi sinh vật sử dụng tạo thành các hợp chất Nitơ hữu cơ, chu trình

Nitơ được khép kín

- Quá trình amon hoá:

Bản chất của quá trình amon hoá là sự tạo thành NH; từ các hợp chất

Nitơ hữu cơ (protein, ure, axit nucleic ) dưới tác động của vi sinh vật

a) Quá trình amon hoa ure:

Đồ An Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

sinh vật phân huỷ thành dạng N-NH¿ dễ hấp thu (ngoại trừ các loại thực vật họ

Đậu có khả năng tự tổng hợp Nitơ tự do)

Quá trình phân giải xảy ra như sau:

CO(NHạ);+2HO — — y (NH¿);CO;

(NH¿);CO; không bến vững dễ dàng bị phân huỷ tiếp thành NH; và CO; (NH,);CO;———> 2NH; + CO; + HO

s* Vi sinh vật phân giải ure:

Nhiều vi sinh vật trong đất có khả năng phân huỷ ure, trong đó có

Bacillus, Micrococus ureac, Planosaruna ureac, Achromobacter, 1 số nấm mốc

và xạ khuẩn Quá trình phân huỷ ure xảy ra trong điều kiện hiếu khí, nhưng cũng có thể xảy ra trong môi trường kị khí

b)Quá trình nitrate hoá:

s* Vị sinh vật của quá trình nitrate hoá Ammonium sinh ra có thể được một nhóm vi sinh vật oxy hoá để hình

thành acid nitrit, qua giai đoạn acid nitơ, quá trình này là quá trình nitrate hoá

Chính Vinogradski đã khám phá ra cơ chế của quá trình này và phân lập

ra các vi sinh vật, theo ông đó là những vi khuẩn thuộc 3 giống: Nifrosomonas,

Nitrisocytis va Nitrosospora Nam 1889, Vinogradski chứng minh quá trình nitrate hoá NH xảy ra theo ra theo hai pha:

- _ Pha thứ nhất sinh nhiều năng lượng:

2NHa + 3O; —> 2HNO; + 2H;O + 658K]

dưới tác động của hệ enzyme của Niírosomonas

- - Pha thứ hai xảy ra chậm chạp hơn:

2HNO;+O; _ —— >y 2HNO; + 180Kj dưới sự tác động của vi khuẩn Nirobacter

Đồ An Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lé Cong Nhat Phuong

Hai loại Nirosomonas và Nitrobacier thường sống chung và hỗ trợ lẫn

nhau ở trong đất, vì nộng độ ammonium cao trong môi trường kiểm có hại cho

Nitrobacter, nhung nhd Nitrosomonas stt dung ammonium và biến nó thành acid (tức là chuyển cation thành antion), bằng cách đó đã tạo điểu kiện tốt cho

sự phát triển của Nirobacter

Người ta dùng những phản ứng đặc trưng để nhận biết acid nitơ và acid

nitrite, từ đó mà biết được sự c6 mat cia Nitrosomonas hay Nitrobacter Qua

trình nitrate hóa rất quan trọng đối với nông nghiệp, vì nó biến muối amôn thành nitrate, hợp chất nitơ thích hợp nhất đối với cây xanh Những vi khuẩn

nitrate hoá rất mẫn cảm với pH acid của môi trường, chúng phát triển trong giới hạn pH từ 6,2 - 9,2 Hằng năm vi khuẩn nitrate hoá tích luỹ được khoảng

300kg nitrate trên mỗi ha đất, thường gặp chúng trong mọi loại đất, trừ miễn đất chứa pH dưới 6,0

Một số vi sinh vật khác oxy hoá NH¿” là Niữrosopira, Nitrosococcus, va Nitrosolobus

`

s% Động học của quá trình nỉtrat hoá là:

Tốc độ tăng trưởng của Nirobacter cao hơn Nitrosomonas Do đó, giai đoạn tốc độ giới hạn trong quá trình nitrate hoá là sự chuyển hoá amôn thành

nirite bởi Nữrosomonas Phương trình sau đây mô tả sự tăng trưởng theo

Trong đó:

u: tốc độ tăng trưởng riêng (ngày `) tma„ : tốc độ tăng trưởng cực đại ( ngày ") [NH¿]: nồng độ NH¿”, mg/1

K,: được ước lượng 0,15 - 2 mg/1 phụ thuộc vào nhiệt độ

T6c d6 oxy héa NH," lién quan dén t6c d6 tang trudng kh theo phương

Trong các công trình xử lý nước thải, oxy là yếu tố giới hạn tăng trưởng đối với các vi khuẩn nitrate hóa Do đó phương trình [1] được biến đối có tính đến ảnh

Các phương trình phức tạp hơn biểu thị động lực tăng trưởng của các vi

khuẩn nitrate hoá có tính đến nông độ cơ chất [NH¿*] cũng như các yếu tố môi

trường như nhiệt độ, pH và oxy hoà tan

Umax Cua Vi khuẩn nitrate hoá (0,006 — 0,035 h) thấp hơn nhiều so với

Lmax cla môi trường hỗn hợp của các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng cơ chất glucose ( 0,18 — 0,38 h}) Sản lượng tế bào của vi khuẩn nitrate hóa cũng thấp

hơn vi khuẩn dị dưỡng Sản lượng tối đa Nitrosomonas \a 0,29; cia Nitrobacter

thấp hơn nhiều, thay đổi từ 0,04 - 0,13 đối với Wirosomonas và 0,02 — 0,07 đối

với Nifrobacter Do đó, trong môi trường nitrate hoá, Nirosomonas hiện diện

với số lượng lớn hơn nhiều so với Nifrobacter

Quá trình nitrate hoá thích hợp với nước thải đầu ra của các công trình

xử lý sinh học có BOD thấp và nổng độ amon cao Quá trình tăng trưởng hiếu

khí lơ lửng là thích hợp nhất cho sự nitrat hoá nước thải đầu ra Sự nitrate hoá

xảy ra trong bể hiếu khí ( thời gian lưu nước 4 — 6 h) và bùn chứa lượng lớn vi khuẩn nitrate hoá được tuần hoàn để duy trì hoạt tính nitrate hoá cao

II.1.3.3 Các tính chất cơ bản:

a) Các tính chất cơ bản của Ammonium:

Sự tương tác của phân tử NH; với nước không những tạo thành những - hydrat của ammonium mà còn tạo thành NH¿”

NH; + H;O = NH,” + OH

Kết quả là néng d6 cia ion OH trong dung dich tang lên Chính vì vậy

ma dung dich nuéc cia ammonium có phản ứng kiểm Tuy nhiên, theo quy định

thì dung dịch nước của ammoniac thường được biểu diễn bằng công thức NH,OH

Đa số các muối ammonium khéng mau va dé tan trong nuéc.Vi dung dịch nước ammoniac là bazơ yếu nên muối ammonium bị thuỷ phân trong dung dịch Dung dịch của muối tạo bởi ammoniac và axit mạnh có phản ứng axit yếu

Sự thuỷ phân ammonium được viết dưới dạng:

NH,*OH + H* = NH; + H,O

Tuy nhiên đúng hơn phải xem nó như là sự chuyển proton ngược lại từ

NH,’ dén phan tử HạO:

NH,” + H,O = NH; + H30*

Khi thêm kiểm vào dung dịch nước của 1 ammonium nào đó thì HạO” sẽ

liên kết với OH thành phân tử H;O và cân bằng thuỷ phân bị dịch chuyển sang bên phải Khi đó quá trình xảy ra :

2NH,* + OH’ = 2NH; + H30°

Khi đun nóng dung dịch thì ta thấy có mùi của NHạ thoát ra

Như vậy có thể phát hiện được muối ammonium bất kì trong dung dịch

khi đun nóng dung dịch với kiểm mạnh

b) Tinh chat co ban cua nitrite:

lon NO; là muối của axit kém bén HNO, Axit HNO, 1a 1 trong số các axit yếu và chỉ tổn tại trong dung dịch nước

axit loãng Khi làm đậm đặc dung dịch hoặc khi đun nóng thì nó sẽ bị phân

huỷ:

2HNO; = NO; + H;O

Cho nén NO, dé bi phan huỷ trong dung dịch có môi trường axit Đó cũng là điểu cần lưu ý khi xác định hàm lượng N-NO; Cần thận trọng khi axit hoá dung dịch vì khi đó sẽ làm giầm bớt hàm lượng N-NO; dẫn đến kết quả

phân tích kém chính xác

Trong môi trường axit, N-NO; còn thể hiện tính oxy hoá qua điện thế

oxy hoá khử sau:

NO; + 2H” +e= NO + HạO ; Eo=0,99V

Do tính chất oxy hoá, N-NO; phản ứng với 1 số thuốc thử hữu cơ như diphenylamin, antypyrin, đều gây nên nhiều phức tạp trong quá trình phân

tích

Tuy nhiên, nitrite ngoài tính oxy hoá còn thể hiện tính khử (mức oxy hoá

của Nitơ trong HNO; bằng +3 nghĩa là trung gian giá trị thấp nhất và cao nhất)

Ví dụ với phản ứng sau:

5HNO; + 2KMnO¿ + 3H;SO¿ = 5HNO¿ + 2MnO¿ + K;SO¿ + 3H;O

Đặc biệt là phản ứng tạo mầu azzo của nitrit (màu hồng)

H.1.3.4 Độ pH:

Độ pH là 1 trong những chỉ tiêu cần kiểm tra đối với nước thải Giá trị

pH cho phép ta quyết định xử lý theo phương pháp nào là thích hợp hoặc điểu

chỉnh lượng hoá chất thích hợp trong quá trình xử lý nước Sự thay đổi giá trị

pH trong nước có thể dẫn đến sự thay đổi về thành phần các chất có trong nước

từ đó thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hoá học, sinh học xảy ra trong

nước đo quá trình hoà tan hay kết tủa

II.1.3.5 Lượng oxy hoà tan:(Disolved Oxygen-DO) Giá trị DO dùng để chỉ lượng oxy hoà tan trong nước ở nhiệt độ xác định Oxy là chất quan trọng cho hoạt động sống của các cơ thể sinh vật Trong

nước ngoài nhiệm vụ cung cấp oxy cho các vi sinh vật và phân giải các hợp

chất hữu cơ, oxy còn oxy hoá 1 số các chất oxy hoá được Đây là chỉ tiêu quan trọng của nước, nó cho phép đánh giá chất lượng nước Chỉ số DO tối ưu là: 4-6

mg Oz/I Hàm lượng oxy này bảo đảm cho sự sống của các loài thuỷ sinh vật, các chỉ số thấp hơn cho thấy nước bị ô nhiễm

H.1.3.6 Nhu cau oxy hod hoc(Chemical Oxygen Demand-COD):

COD là nhu câu oxy cần thiết cung cấp cho vi sinh vật phân huỷ các chất

hữu cơ theo con đường hoá học Xác định COD là công việc gián tiếp xác định

tổng hàm lượng chất hữu cơ có trong nước Trong nước chứa 1 lượng hợp chất hữu cơ vì vậy COD càng cao thì chứng tỏ nước càng bẩn

I.1.3.7 Hàm lượng chất rắn:

Chất rắn có trong nước tự nhiên có thể là từ những nguồn khác nhau như sản xuất công-nông nghiệp, sinh hoạt và cũng chính từ những nguồn có trong tự nhiên

e Các chất vô cơ dang hoà tan (các loại muối) hoặc các chất không tan như đất, đá, các loại chất ở dạnh huyền phù

e Các chất hữu cơ như các loại vi sinh vat, tao, vi khuẩn, động-

thực vật nguyên sinh và các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, chất thải từ sản xuất, sinh hoạt

Các chất rắn làm ảnh hưởng đến chất lượng của nước, làm cần trở hoặc tiêu tốn thêm nhiều hoá chất trong quá trình xử lý

Có thể sử dụng 1 số các chỉ tiêu sau để đánh giá hàm lượng chất rắn có

trong nước

e Tổng lượng chất rắn(Total Solids-TS) Tổng lượng chất rắn là trọng lượng khô tính bằng mg của phần còn lại

sau khi làm bay hơi 11 nước trên nổi đun cách thuỷ rỗi sấy Ở 103°C cho tới khối

lượng không đổi Đơn vị tính là mg/1

e_ Tổng lượng chất rắn lơ lửng(Suspended Solids-SS) Tổng lượng chất rắn lơ lửng (tổng lượng chất rắn huyền phù) có hàm lượng là trọng lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc bằng sợi thuỷ tinh, khi lọc 11 mẫu rồi đem sấy ở nhiệt độ 105°C cho đến khối lượng không đổi(mg/])

e Chat ran hoà tan(Disolved Solids-DS)

DS được xác định theo biểu thức: DS=TS-SS (mg/])

e Chat rin bay hơi(Volative Suspended Solids-VSS) Hàm lượng chất rắn bay hơi là trọng lượng mất đi khi nung chất rắn lơ lửng ở 550°C trong 1 khoảng thời gian nhất định Khoảng thời gian này phụ

thuộc vào từng loại nước mẫu (mg/1 hay %SS hoặc %TS)

Hàm lượng VSS trong nước thải thường biểu thị cho hàm lượng các chất hữu cơ lọc được có trong nước

II.2 Tổng quan tài liệu nước ngoài

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

11.2.1 Tình hình nghiêm cứu ammonium trên thế giới Đối với nhiều loại nước thải có chứa hàm lượng các chất dinh dưỡng (N, P) trung bình và cao, việc xử lý loại các thành phần này trước khi xả thải là một nhu cầu quan trọng, nhằm hạn chế sự ô nhiễm nước ngầm, nước mặt Nguy

cơ tác động lớn nhất khi thải nước thải giàu N, P vào các vực nước mặt là hiện

tượng phú dưỡng (eutrophication) Hậu quả của phú dưỡng là kích thích sự phát

triển mạnh các loài tảo, làm phá vỡ chuỗi thức ăn ổn định của các hệ sinh thái

thủy vực nguồn nhận, gây ô nhiễm nước (tạo ra mùi tanh, làm suy giảm oxy

hòa tan ở giai đoạn suy tàn ) và bổi cạn các vực nước này Đối với Nitơ, tiêu

chuẩn thải của Việt Nam TCVN 5945-1995 quy định giới hạn nồng độ tổng Nitơ trong nước thải được phép thải vào các vực nước cho các mục đích sử dụng khác nhau từ 30-60 mg/L; còn trên giới hạn 60 mg/L thì không được phép thải vào môi trường Các loại nước thải thường chứa hàm lượng N-NH¿ cao là nước thải thuỷ sản, nước thải rỉ rác, nước thải chăn nuôi heo

Các hệ thống xử lý nước thải bậc 2 thông thường được thiết kế để loại các chất hữu cơ ( đánh giá qua các thông số BOD¿;, COD ), và chỉ có hiệu quả

loại nitơ một phần Do vậy, việc lọai Nitơ thường phải được tiến hành ở giai

đoạn tiếp theo sau - tức xử lý bậc cao Công nghệ sinh học truyển thống để xử

lý Nitơ lâu nay là dựa vào sự kết hợp của 2 quá trình : Nitrat hóa (nitrification)

và khử Nitrat (denitrification) Tuy nhiên, công nghệ xử lý truyễn thống này có

những hạn chế nhất định và sự cải tiến công nghệ xử lý nitơ đã được quan tâm

từ những thập niên cuối thế kỷ XX

Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa Nitơ mới chưa từng được biết đến

trước đó về cả lý thuyết và thực nghiệm đã được phát hiện Đó là phản ứng oxy hóa ky khi Ammonium (Anaerobic Ammonium Oxidation, viét téc là

anammox) - trong đó ammonium được oxi hóa bởi nitrite trong điều kiện ky

khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành Nitơ phân tử (Strouss và cs.,1995) Su phat hiện phản ứng Anammox đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật xử lý Nitơ mới, đặc biệt là đối với các nước thải có hàm lượng Nhơ cao Trong vòng 2 thập niên qua, đã bùng nổ các nghiên cứu liên quan đến

Anammox và ứng dụng của nó Trên bình diện lý thuyết, chu trình Nitơ tự nhiên trong sách giáo khoa đã được bổ sung một mắc xích mới, còn trên bình

diện công nghệ, đã có nhà máy xử lý Nitơ phi truyền thống được xây dựng và

vận hành

I.2.2 Tổng quan về kỹ thuật xử lý Nitơ truyền thống Các hệ thống xử lý Nitơ truyển thống dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn

nitrat hóa (nitrification) và denitrat hóa (denitrification)

Ở giai đoạn nitrat hóa, Ammonium trong nước thải được oxy hóa đến nitrat qua 2 bước nitrit hóa (nitritation) và oxy hóa nitrit (nitratation) Đây là

giai đoạn xảy ra trong điều kiện hiếu khí Các phản ứng được mô tả như sau:

2NH,* + 3O; + 2NO;+4H'+2HO (1)

NH," +20, + NOs+2H'+H;O (3)

Nếu tính đến sự đồng hóa Nitơ cho sinh trưởng tế bào vi khuẩn, phản

ứng tổng thể của giai đoạn nitrate hóa được viết (Gujer and Jenkins, 1974):

NH¿” + 1.83 O; + 1.98 HCO;_ —> 0.021 CzH;NO; + 0.98 NO;

Vi sinh vat đóng vai trò trong phản ứng (1), thường gọi là các AOB

(Ammonium Oxidizing Bacteria), được biết chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chỉ

Nitrosomonas và một số chỉ khác như MNifrosococcus, and Nitrosospria,

Nitrosolobus, Nitrosovibrio Tương tự, các NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria) liên quan trong phản ứng (2) chủ yếu là vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, va mt

số chi khác như Nirospina, Nitrococcus, và Nitrospira được phát hiện thêm sau

này (Suwa et al , 1994; Schramm et al , 1998;) Gitta cac AOB và NOB có

những khác biệt về điểu kiện tăng trưởng, cho phép điều khiển chọn lọc sự cạnh tranh ưu thế của chúng Ví dụ, tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của AOB nhỏ hơn của NOB ở nhiệt độ thấp (0.xx so với 0.xxx), nhưng do hệ số nhiệt

Van't Hoff lớn hơn, nên ở nhiệt độ cao (trên 28°C), AOB có ái lực oxy thấp hơn các NOB (0.63 mg O,/L so véi 1.32mg O,/L) nén 6 diéu kién oxy han ché,

AOB sé chiém uu thé (Jayamohan et al., 1988)

Ở giai đoạn denitrat hóa, nitrat được khử thành nitrit rồi thành khí nitơ

(N;) qua một số sản phẩm trung gian khác Giai đoạn này xảy ra trong điều kiện ky khí Quá trình khử cần sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ như là

nguồn cho điện tử Các chất hữu cơ thường sử dụng gồm methanol, etanol, acetate, glucose, (nguồn carbon ngoài) hay chính các chất hữu cơ trong nước

thải (nguồn carbon nội)

Các phản ứng chuyển hóa trong trường hợp nguồn carbon là methanol

Phần ứng tổng thể của giai đoạn denitrate hóa có tính đến sự đồng hóa

Nitơ cho sinh trưởng tế bào có đạng (McCarty et al., 1969):

NO+x + 1.08 CH:OH + H* — 0.065 C;H;NO, + 0.47 N2 + 0.76 CO,

+ 2.44 H;O (8)

Đóng vai trò trong quá trình denitrate hóa là các vi khuẩn thuộc các chi

Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus,

Về mặt kỹ thuật, các hệ thống xử lý Nitơ truyền thống có thể được thiết

kế theo trình tự nitrate hóa — denitrate hóa (post-denitrification) hay ngược lại

(pre-denitrification) Trong trường hợp thứ nhất, nguồn carbon bên ngoài phải được cung cấp cho bể denitrate hóa: còn trong trường hợp thứ hai, phải cần một đòng hồi lưu lớn (R=2-3) từ bể nitrat hóa

Mặc dù được phát triển đã từ lâu và hiện vẫn còn ứng dụng rộng rãi, các

hệ thống nitrate hóa - denitrate hóa (N/DN) bộc lộ nhiều hạn chế sau đây, nhất

là về phương diện kinh tế khi áp dụng xử lý nước thải có hàm lượng Nitơ cao

và carbon thấp như nước rỉ rác, nước lắng bể phân hủy bùn, bể biogas, :

-Nhu cầu oxy cao cho giai đoạn nitrate hóa Theo phản ứng (4) thì nhu câu oxy là 4.2 g-Oz/g NHạ-N được oxy hóa đến nitrate Ví dụ trong xử lý nước

thải sinh hoạt, khi kết hợp nitrat hóa với oxy hóa loại BOD trong cùng bể hoạt

tính thì phải tăng gấp đôi lượng oxy cung cấp so với chỉ riêng mục đích oxy hóa carbon hữu cơ

- Nhu cầu bổ sung nguồn carbon hữu cơ cho giai đoạn denitrate hóa

Theo phản ứng (8), nhu cầu methanol sé 1a 2.47 g cho 1 g NO;-N được

Đề An Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lé Cong Nhat Phương

denitrate hóa Nhu cầu này thường làm cho giá thành quá trình xử lý tăng cao,

nhất là với nước thải có hàm lượng Nitơ cao

- Nhu câu bổ sung độ kiểm Giai đoạn nitrate hóa đòi hỏi tiêu thụ độ

kiểm 7.14g CaCOz⁄g NH„-N được oxy hóa Cho nên nếu nước thải không đủ

độ kiểm thì sẽ phải bổ sung bằng muối carbonat

- Hai giai đoạn nitrate hóa và denitrate hóa xẩy ra với hai điều kiện ngược nhau: hiếu khí — ky khí, tự dưỡng - dị dưỡng Do vậy, hai giai đoạn phải

tiến hành trong các bể phản ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm soát quá trình

của hệ thống xử lý nitơ truyền thống đòi hỏi phức tạp Ví dụ, trong khi ở giai đoạn nitrate hóa cần duy trì DO tối thiểu là 2 mg/L thì ở giai đoạn denitrate hóa phải khống chế DO đưới 0.3 mg/L

Trong nhiều năm qua, đã có những nghiên cứu nhằm cải tiến kỹ thuật N/DN truyền thống, chủ yếu là làm tăng hiệu quả xử lý ở các giai đoạn nitrate

hóa và denitrate hóa như sử dụng vật liệu bám cho vi sinh vật, bố trí nhiều tầng

hiếu khí / ky khí, cấp nước thải vào ở nhiều vị trí dọc theo bể, tối ưu hóa thiết kế

Mội hướng cải tiến khác là nhằm vào thay đổi con đường chuyển hóa Ví

dụ điển hình là quá trình loại nitơ “ đường đi tắt” (SNBR= shortcut biological

nirogen removal), tức là denitrite hóa (khử về nitơ phân tử từ nitrit) thay cho

denitrate hóa, để giảm bớt nhu cầu oxy cần cho giai đoạn oxy hóa nitrite và nhu cầu carbon hữu cơ cho giai đoạn khử nitrate về nitrite Hệ thống SNBR cho

phép giảm 25% nhu cầu oxy và khoảng 40% nhu cầu carbon hữu cơ (Turk và

Mavinic, 1986; Abeiling và Sayfried, 1992; Chung et al., 2004)

Đồ An Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

Tuy nhiên, về căn bản các phương án cải tiến trên đều vẫn dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn tự dưỡng và dị dưỡng, nghĩa là vẫn cần cung cấp nguồn

carbon hữu cơ

Từ những năm 1990, sự phát hiện ra phản ứng oxy hóa ky khí Aemonium (Anammox) đã cho phép phát triển các hệ thống xử lý Nitơ hoàn toàn tự dưỡng

ee +» Nitrat hod -&Nitrit hod bin phan

—————* Deritrat hod - » Anammox

Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc các quá trình xử lý nitơ

Hệ thống Tải lượng | Tiêu thu | COD/N | Tao sinh | Hiéu

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

H.2.3 Giới thiệu quá trình CaNon

Quá trình oxy hoá ky khi ammonium là quá trình vi sinh vật ky khí mà trong đó ammonium kết hợp với nitrite được chuyển đổi thành khí N; theo phan ứng Thêm vào đó một số nitrate được hình thành từ nitrite Phản ứng này thì

cân cho quá trình tự dưỡng sự cố định CO; Mặc dù, sự cố định CO; có thể không được đi kèm từ phản ứng đị hoá như chuyển đổi Stoichometric của nitrate va ammonium thanh khí N; có thể được tiến hành không có sự sản sinh vật liệu tế bào và nitrate

NH; + 1.3 NO; +H” —Ï.02 N;+0.26 NO; +2 HO

Vi khuẩn tham gia quá trình Anammox là vi khuẩn Planctomycetales Vì

khuẩn thì tự dưỡng và không cân cacbon hữu cơ để hỗ trợ cho sự phát triển Mặc dù vi khuẩn là ky khí, hoạt động chúng chỉ ức chế thuận nghịch bởi O¿ Hơn nữa, vi khuẩn Anammox bị ức chế bằng nồng độ nitrate cao

Vi khuẩn Anammox được làm giàu từ quá trình ủ, từ các nhà máy xử lý nước thải khác nhau và được đặc trưng bởi một tỷ lệ tăng trưởng gần tối đa và được gia tăng trong mô hình phần ứng với sự duy trì đầy đủ sinh khối Vi khuẩn Anammox cũng được khám phá trong một vài hệ thống xử lý nước thải với nỗng

độ Nitơ cao và lượng COD cho vào thấp

Để loại bỏ ammonium từ nước thải bằng cách sử dụng vi khuẩn Anammox, những vi khuẩn này phải được cung cấp nitrite đây đủ Nitrite có thể được sản sinh từ ammonium bởi sự oxy hoá vi khuẩn ammonium ky khí tự dưỡng theo phản ứng:

NH¿ +1.5Oz————* NO; +H;O +H”

Tuy nhiên vi khuẩn oxy hoá ammonium thành nitrite cần O¿, nhưng trái

lại vi khuẩn chuyển đổi ammonium và nitrite thành khí Nạ là vi khuẩn ky khí Điều này cho thấy rằng cả 2 dạng này có thể cùng tổn tại trong một mô hình phản ứng, cung cấp bởi hệ thống được giữ một lượng oxy giới hạn quá trình

được gọi là Canon mà dựa vào sự di chuyển nitơ hoàn toàn tự dưỡng qua nitrite

Quá trình này để thích hợp với sự loại bỏ ammonium từ nước thải mà không chứa đủ vật chất hữu cơ để hỗ trợ cho quá trình nitrate hoá thông thường Ammonium được oxy hoá thành nitrite bằng một lượng giới hạn oxy hoá ky khí

ammonium theo phan ứng trên Nitrite sản sinh ra cùng với một phần

ammonium được chuyển đổi thành khí N2 bằng vi khuẩn Anammox theo phản ứng trên dẫn đến toàn bộ phản ứn sau:

NH;+0.85O; ————>0.1IINO;:' + 0.44N; +0.14H” +1.43H;O

Với mục đích duy trì lượng oxy giới hạn trong thực tế, ammonium cho vào các mô hình phản ứng được duy trì ở nồng độ cao hơn so với lượng oxy cho vào Trong các thí nghiệm Canon nối tiếp các đợt của các mô hình phản ứng, tỷ

lệ tuơng quan sự chuyển hoá Nitơ thấp được tiếp xúc cho đến hiện tại Hiển nhiên sự chuyển đổi khối chất lỏng khí của oxy là bước giới hạn trong các bể phan tng nay Vi thé mang lại hiệu quả để đánh giá việc thực hiện bể phản ứng chuyển đổi khí thực hiện quá trình Canon và Anammox

IL2.4 Quá trình SHARON

SHARON ( Single reactor for High activity Ammonium Removal Over Nitrite) — quá trình nitrate hóa cục bộ là quá trình oxy hóa ammonium thành nitrite bằng cách sử dụng vi khuẩn nitrate hóa trong điều kiện có sục khí giới hạn Đây là một quá trình đầy hứa hẹn cho việc cải tiến quá trình xử lý nước

2HCO; + 1.50, + NH,” 7 2CO, + H,O + NO,

Điều này có nghĩa là mỗi mol NHạ” được oxy hóa, 2 mol bicarbonate được giải phóng và kiểm soát tỷ lệ này có khả năng kiểm soát nồng độ nitrite trong nước thải

Sự oxy hóa amoni ngưng lại khi đạt được sử chuyển đổi 50% do sự acid

hóa và tạo ra nguồn đầu vào thích hợp cho quá trình Anammox

VỀ mặt vi sinh học, trong một bể phản ứng Sharon, vi khuẩn Nitrosomonas (là vi khuẩn oxy hóa ammonium) được lựa chọn dựa trên

Nitrobacter bang sự loại ra ngoài của Nirobacrer Lý do là tỷ lệ tăng trưởng

của vi khuẩn Wirosomonas khác biệt so với vi khuẩn Nirobacter Ở nhiệt độ

thấp dưới 12°C, tỷ lệ tang truéng cia Nitrobacter cao hon Nitrosomonas Trén

12°C, Nitrosomonas tang trưởng cao hon Nitrobacter va trở nên cao hơn nữa khi

ở trên 25°C Trên nguyên tắc cơ bản, một bể phản ứng có thể được thiết kế dựa vào những nguyên lý này để qui định tổng lượng nitơ được xử lý từ nước thải

Các kết quả sinh hóa của sự suy giảm này trong nhu cầu oxy được

chuyển đổi cho quá trình oxy hóa và cũng có một lượng carbon được thêm vào cho sự tăng trưởng của vi khuẩn trong quá trình khử nitrate Khi sự oxy hóa ammonium được chuyển thành nitrite và nitrite được giảm bớt lại thật sự khi

bắt đầu có sự xuất hiện nitrate và nitrate cũng sẽ được giảm đi, hiệu suất giảm

đi là 25% trong các nhu cầu oxy và hiệu suất giảm 40% trong các nhu cầu

carbon

Bể phản ứng Sharon được hình thành ở thời gian lưu bùn nhỏ nhất và

nhiệt độ được nâng lên để lựa chọn Wirosomonas trên Niirobacter Quá trình

chạy đầu tiên ở dạng có oxy và sau đó ở dạng thiếu oxy để hình thành cả sự oxy hóa và hiệu quả giảm trong quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa Bể phản ứng này có thể được chạy như là một bể sục khí gián đoạn hay bể tầng nối tiếp

II2.5 Giới thiệu về oxy hoá ky khí Anammox 11.2 5.1 Phuong pháp khử Ammonium sinh hoc:

Phương pháp khử Ammonium sinh hoc dua trén các quá trình sinh học sau:

e Quá trình đồng hoá:Khử Ammonium bằng sinh vật dị dưỡng

Ammoniac như nấm mốc, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, tảo tham gia vào các quá trình thuỷ giải đạm phức tạp thành đạm ammonium và đồng hoá để phát triển sinh khối

e Quá trình dị hoá :Khử Ammonium bằng vi khuẩn tự dưỡng hoá năng như là vi khuẩn Nirosomonas, Nitrobacter Chúng sử dụng oxy để chuyển hoá ammonium thành nitrate và thu năng lượng

Quá trình tự dưỡng của vi khuẩn nitrate hoá được tiến hành như sau:

NH," + 1,5O; Nitrosomonas NO, + 2H* + H,O + 273KJ

Đồ An Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

Năng lượng sinh ra để thực hiện các quá trình sinh tổng hợp tạo tế bào mới và 1 phần thoát nhiệt Điều kiện tối ưu cho sự phát triển các vi khuẩn nitrat hoá là pH:7,5; DO:0,5mg/1; t”:5-40°C Ammonium được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau, với các quá trình trên thì chỉ xử lý ammonium ở tải trọng trung bình còn với công nghệ mới thì có thể xử lý tai trong ammonium cao hơn mà đơn giản và ít tiêu tốn năng lượng

Sơ đô chuyển hoá Ammonium

IL2 5.2 Phương pháp oxy hoá kị khí Amonium (ANAMMOX):

NH'+NO; => N;+2H;O AG” = -357 kJ/mol (9)

5 NH; +3NO; > 4N;+9H;O+2H' AG?=-297 kJ/mol (10)

NH," + 1.5 O; ¬> NO; +2H+H;O AG? = -275 KJ/mol (11)

Mãi 17 năm sau đó, bằng chứng thực tế đầu tiên của phản ứng

Anammox mới được phát hiện ở một bể denitrate hóa xử lý nước lắng của bể

Đồ Ấn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

phân hủy bùn tại Gist-brocades (Delft, Hà Lan) (Mulder et al., 1995) Qua theo

dõi cân bằng nitơ, các tác giả đã phát hiện thấy sự giảm đồng thời nồng độ Ammonium va néng độ nitrate, nitrite cùng sự tạo thành nitơ phân tử ở điều

kiện ky khí

Trong một vài năm tiếp theo, nhóm Đại học Kỹ thuật Deft (TU-Deft) đã

có các nghiên cứu xác nhận và mô tả ban đầu về Anammox được công bố (van

de Graaf et al., 1995; van de Graaf et al., 1996; van de Graaf et al., 1997) Theo

đó, Anammox được xác định có bản chất là quá trình sinh hoc, Ammonium

được oxy hóa dưới điều kiện ky khí với nitrite là phần nhận điện tử, tạo thành nitơ phân tử

Tiếp theo phát hiện của nhóm TU-Deft, phản ứng Anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và xác nhận trên các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà

nghiên cứu ở các nơi khác như Đức (Schmid et al., 2000); Nhật (Furukawa et

al., 2000); Thuy Si (Egli et al., 2001); Bi (Pynaert et al., 2002); Anh (Schmid et al., 2003)

Sự phát hiện vi khuẩn Anammox ở các hệ thống xử lý nước thải đã dẫn

các nhà khoa học đến sự tìm kiếm trong các hệ sinh thái tự nhiên Phản ứng

Anammox đã được chứng minh đóng đến 50% vai trò trong việc tạo khí nitơ trong trầm tích biển Baltic (Thamdrup và Dalsgaard, 2002), trong vùng nước

thiếu khí dưới đáy đại dương ở Costa Rica (Dalsgaard et al., 2003) Các vi

khuẩn Anammox thuộc một chi mới đã được phát hiện trong vùng nước gần đáy

Biển Đen (Kuypers et al., 2003)

Trên cơ sở các phát hiện vi khuẩn và phản ứng Anammox, chu trình chuyển hóa Nitơ tự nhiên có trong sách giáo khoa từ lâu nay đã được bổ sung một mắc xích mới và được viết lại

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Công Nhất Phương

Hình 2 Chu trình nitơ mới có thêm mắc xích anammox

Các nghiên cứu mô tả chi tiết về hóa sinh học, vi sinh học, sinh học

phân tử, của Anammox tiếp tục phát triển mạnh từ cuối thập niên 1990 đến

nay, đã làm rõ nhiều khía cạnh của anammox về mặt hóa sinh học, vi sinh học,

sinh học phân tử,

Hóa sinh hoc cua anammox:

Như đã nói ở trên, phản ứng Anammox đã được xác nhận là sự oxy hóa

| amôni bởi nitrite, phản ứng hóa học đơn giản với tỉ lệ mol NH¿” : NO; = 1:1