Tiểu luận môn học đề tài vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hóa và khử nitrat

Chẳng hạn, phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện hóa, phương pháp tripping,… Tuy nhiên, các phương pháp này tốn chi phí khá cao, sử dụng nhiều năng lượng, hóa chất, khó vận hành, ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA SINH HỌC & MÔI TRƯỜNG



TIỂU LUẬN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: VI SINH VẬT THAM GIA VÀO QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA VÀ KHỬ NITRAT

GVHD: Nguyễn Lan Hương Lớp: 12DHQLMT1 Nhóm: 9 SVTH:

1 Nguyễn Thị Kim Ngân 2031210071

2 Hà Thị Huỳnh Như (NT) 2031210070

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2022

BẢNG PHÂN CÔNG

làm ppt

tổng word

trình nitrat hóa

trình khử nitrat, làm ppt

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước: 5

1.2 Nito tồn tại trong nước thải: 5

1.3 Tác hại của nito: 6

1.4 Một số phương pháp xử lý nito: 7

1.4.1 Phương pháp hóa lý và hóa học: 7

1.4.2 Xử lý nito bằng phương pháp sinh học: 8

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH KHỬ NITO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 9

2.1 Quá trình nitrat hóa: 9

2.1.1 Vi khuẩn tham gia: 9

2.1.2 Cơ chế quá trình nitrat hóa: 11

2.1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình: 12

2.2 Quá trình khử nitrat: 13

2.2.1 Vi khuẩn tham gia vào khử nitrat: 13

2.2.2 Cơ chế quá trình khử nitrat: 14

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat: 16

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Phú dưỡng hóa do N,P dư (Nguồn: internet) 6

Hình 1 2 Chuyển hóa nito phương pháp sinh học (Nguồn: internet) 8

Hình 2 1 Vi khuẩn Nitrosomonas (Nguồn: internet) 9

Hình 2 2 Vi khuẩn Nitrobacter 10

Hình 2 3 Vi khuẩn Pseudomonas (Nguồn: internet) 14

Hình 2 4 Sơ đồ mô tả quá trình khử nitrat (Nguồn: internet) 15

LỜI MỞ ĐẦU

“Phần còn lại của thế giới có thể tiếp tục sống mà không có chúng ta, nhưng chúng ta không thể tồn tại nếu thiếu đi chúng” – Sylvia A.Earle

Đúng vậy, thiên nhiên trên trái đất này vẫn tiếp tục sống, sinh trưởng và phát triển theo quy luật tự nhiên của nó mà không cần đến con người Nhưng con người chúng ta không thể sống được nếu thiếu đi chúng Đặc biệt là nguồn nước Nước được sử dụng thường xuyên và với một lượng rất lớn cho nhu cầu sinh hoạt, sản xuất,… Nhưng hiện nay, với sự công nghiệp hóa và hiện đại hóa đã tác động rất lớn đến môi trường nói chung và với môi trường nước nói riêng Nước thải từ sinh hoạt, từ nhà mày chứa nhiều chất phức tạp và khó xác định, nhiều chất vô cơ hữu cơ và các kim loại nặng Vấn đề ô nhiễm nước đang thách thức rất lớn đến sự tồn vong và phát triển của xã hội

Sự phát triển nhanh của nền kinh tế đòi hỏi phải đảm bảo môi trường Vì vậy xây dựng các công trình xử lý nước thải phải đạt tiêu chuẩn về chất lượng nước đầu ra Nồng

độ chất ô nhiễm trong nước phải thấp hơn giá trị cho phép theo qui định của Bộ tài nguyên

và môi trường

Một trong những chỉ tiêu cần đạt được là hàm lượng nito trong nước Ngày nay có rất nhiều phương pháp để xử lý hàm lượng nito này Chẳng hạn, phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện hóa, phương pháp tripping,… Tuy nhiên, các phương pháp này tốn chi phí khá cao, sử dụng nhiều năng lượng, hóa chất, khó vận hành, chưa xử lý được nito một cách triệt để Vì thế, thường sử dụng phương pháp sinh học để xử lý nito vì nó thân thiện với môi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, mức độ xử lý ô nhiễm cao, loại bỏ được các hợp chất hữu cơ, nito,…

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước:

Việc công nghiệp hóa hiện đại hóa tăng nhanh, sự gia tăng về dân số gây ra nhiều

hệ lụy cho môi trường nước Theo thống kê của Ban Chỉ đạo Trung ương về Phòng chống thiên tai ở Việt Nam Nước ta tiêu thụ 10.000 tấn hóa chất bảo vệ thực vật; 2.3 tấn rác thải sinh hoạt, 7 triệu tấn chất thải rắn công nghiệp, 630 nghìn tấn chất thải nguy hại,… 283 khu công nghiệp của cả nước đang thải vào môi trường 55 nghìn m3 nước thải mỗi ngày Điều đáng ngại là trong 615 cụm công nghiệp chỉ có 5% hệ thống xử lý nước thải, hơn 500

cơ sở có công nghệ sản xuất lạc hậu Chưa kể khoảng 5.000 doanh nghiệp; 4.500 làng nghề; 13.500 cơ sở y tế phát sinh hơn 47 tấn rác thải nguy hại và 125.000 m3 nước thải y tế

Ở Hà Nội, lượng nước thải từ 300.000 – 400.000 m3/ngày, hệ thống xử lý nước thải của các bệnh viện chỉ có 5/31, nước thải sinh hoạt chưa được thu gom khoảng 1.200

m3/ngày Ở Tp.HCM lượng rác thải thải ra khoảng 4000 tấn/ngày, cơ sở y tế có hệ thống

xử lý nước thải cũng chỉ có 24/142 Gần 76% người nông thôn thải rác thải, nước thải trực tiếp ra sông hồ Nước thải, rác thải này đều chứa các kim loại nặng, các anion, chất dioxin,…và trong đó nó có chứa 1 lượng nito, photpho rất nguy hại và đáng lo ngại

1.2 Nito tồn tại trong nước thải:

Nito tồn tại ở trong nước thải dưới 3 dạng: dạng hợp chất hữu cơ; amoni; nitrit và nitrat Hàm lượng amoni (NH3) là lượng nito amon (NH4+) trong nước thải Nước thải sinh hoạt nito ở dạng vô cơ (65%) và dạng hữu cơ (35%)

Nitrit (NO2-)là sản phẩm của quá trình oxi hóa amoni hoặc nito amoni trong điều kiện hiếu khí nhờ vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó nitrit oxy hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn Nitrobater

Nitrat (NO3-) là hợp chất vô cơ của nito và có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải công nghiệp có chứa lượng lớn nito Chúng sẽ bị nitrat hóa tạo thành nitrat Nitrat hóa là quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ chưa nito ở giai đoạn cuối cùng Quá trình này

tạo sự tích lũy hợp chất nito để cho các quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ tiếp theo.i

1.3 Tác hại của nito:

 Đối với sức khỏe người và động vật:

Khi nito trong nước không được xử lý tốt, sẽ đi vào thức ăn hay trong nước gây ra bệnh nguy hiểm Nitrat gây chứng thiếu Vitamin và kết hợp với các amin tạo thành nitrosamin là nguồn gốc gây ra bệnh ung thư Khi nito đi vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột Nitrit có thể oxi hóa Fe (II) làm giảm oxi trong máu

Nito có trong nước thải gây hại cho các động vật thủy sinh, làm giảm lượng oxi hòa tan có trong nước Khi lượng nito dư thừa nhiều cùng với đó là lượng photpho cao gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa gây thiếu oxi trong nước gây ngạt cho hệ sinh vật

 Đối với môi trường:

Làm giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, phá vỡ chuỗi thức ăn của sinh vật Sản sinh ra nhiều chất độc trong nước như CH4, H2S,…

Khi nước thải có nhiều N, P

gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa Và

khi các sinh vật và tảo chết đi sẽ lắng

xuống đáy hồ, dần dần đáy hồ sẽ cạn

và biến thành đầm lầy Bên cạnh đó,

các loài này chết gây ra NH3 có mùi

hôi và nước có màu đen Nước cấp

thì amoni gây cản trở chất lượng

nước khi xử lý, gây bệnh cho người

và sinh vật

Hình 1 1 Phú dưỡng hóa do N,P dư (Nguồn:

internet)

 Tác hại đối với quá trình xử lý nước:

Làm giảm hiệu quả xử lý nước của các công trình Nó có thể kết hợp với các độc chất khác trong quá trình xử lý nước tạo ra các phức hữu cơ gây độc cho người

 Việc xử lý nước nito là vấn đề đáng quan tâm vì thế các nhà nghiên cứu đã tìm ra một số phương pháp như hóa lý, hóa học và sinh học

1.4 Một số phương pháp xử lý nito:

1.4.1 Phương pháp hóa lý và hóa học:

 Phương pháp trao đổi ion: Loại bỏ Amoni trong nước bằng các trao đổi các cation

ở pha lỏng và pha rắn Thường sử dụng các hạt nhựa Kationit

Ưu điểm: hiệu suất 80-90% Sử dụng phương pháp trao đổi ion với các anion có gốc

Cl-, OH- hay SO42- hiệu suất cao để loại bỏ nitrat khỏi nước ngầm

Nhược điểm: quá trình sử dụng, vận hành phức tạp, khó khăn,…

 Phương pháp điện hóa: Pha nước thải với 20% nước biển, sau đó đưa vào bể điện phân với anot than và catot Inox Dưới tác động dòng điện tạo thành Mg(OH)2, sau đó chất này phản ứng amoni và photpho tạo thành MgNH4PO4 Qúa trình điện phân hình thành Cl2

oxi hóa amoni, các chất hữu cơ và diệt khuẩn trong nước thải

 Phương pháp stripping: Là phương pháp chuyển hóa toàn bộ amoni trong nước từ dạng NH4+ thành amoniac NH3 Sau đó dùng lượng khí lớn loại bỏ NH3 ra khỏi nước thải

1l nước thải, hiệu quả của quá trình tripping thường chỉ đạt tối đa 95%

Ưu điểm: đơn giản, rẻ, có thể kiểm soát được Loại bỏ được NH3 mà không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp trong nước

Nhược điểm: Phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Hợp chất nito còn tồn tại ở dạng NO3-,

nếu không xử lý sẽ gây ô nhiễm không khí

 Các phương pháp hóa lý và hóa học đều tạo ra một số chất ô nhiễm thứ cấp, chi phí

xử lý hóa chất có giá rất cao Gây hại cho môi trường và động vật thủy sinh  Do đó các đơn vị nhà mày thường ưu tiên phương pháp xử lý sinh học để khử nito trong nước

1.4.2 Xử lý nito bằng phương pháp sinh học:

Xử lý nito dựa trên hoạt động của vi sinh vật (VSV hiếu khí và VSV kỵ khí) để phân hủy các hợp chất hữu cơ, sản

phẩm cuối cùng của quá trình là

các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S)

Các dạng nito hữu cơ được các vi

khuẩn amoni hóa chuyển hóa

thành NH4+ Sau đó NH4+ được

chuyển hóa thành NO2- nhờ vi

khuẩn Nitrosomonas NO2- được

sinh ra và sau đó được chuyển hóa

thành NO3- nhờ vi khuẩn

Nitrobacter Cuối cùng nitrat được các vi sinh vật kỵ khí chuyển thành dạng nito phân tử nhờ quá trình khử nitrat

Ưu điểm: hiệu suất khử nito cao, ổn định, dễ vận hành, quản lý, chi phí đầu tư hợp lý,

bảo vệ môi trường và hệ sinh thái Mặc dù phương pháp này có nhiều ưu điểm và được ưu tiên sử dụng nhưng vẫn có nhược điểm

Nhược điểm: các vi khuẩn để xử lý nước thải có các chủng vi sinh, vi khuẩn có khả

năng gây bệnh cho con người.ii

Hình 1 2 Chuyển hóa nito phương pháp sinh học

(Nguồn: internet)

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH KHỬ NITO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 2.1 Quá trình nitrat hóa:

2.1.1 Vi khuẩn tham gia:

Vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrat hóa là vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong điều kiện hiếu khí

 Vi khuẩn Nitrosomonas:

Nitrosomomas là một chi của vi khuẩn Chemoautotrophic hình que Gram âm Vi khuẩn này thường phân bố rộng rãi trong đất, bùn nước ngọt, đặc biệt là những nơi chứa nhiều hợp chất nito Chúng oxy hóa amoni thành nitrit như một quá trình trao đổi chất được gọi là nitrit hóa Tạo ra năng lượng, chúng sử dụng các điện tử từ quá trình oxy hóa amoni

để tạo ra năng lượng Vi khuẩn này mẫn cảm với ánh sáng đặc biệt là ánh sáng có màu xanh và tím

 Vi khuẩn Nitrobacter:

Nitrobacter là một chi bao gồm các vi khuẩn hình que, gram âm, hóa dưỡng,… Chúng sinh sản bằng hình thức nhân đôi tế bào Vi khuẩn Nitrobacter là các sinh vật hiếu khí bắt

Hình 2 1 Vi khuẩn Nitrosomonas (Nguồn: internet)

thường có màu vàng trong huyền phù tế bào Hệ thống oxy hóa Nitrat trên màng tế bào là

tế bào chất Các tế bào Nitrobacter đã được chứng minh phục hồi sau khi tiếp xúc với CO2

cực độ và không chuyển động Vi khuẩn này đóng vai trò quan trọng trong chu trình nito bằng cách oxy hóa nitrit thành nitrat Nitrobacter sử dụng năng lượng từ quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat để đáp ứng nhu cầu năng lượng

 Các loại vi khuẩn này là vi sinh vật tự dưỡng được gọi chung là Nitrifiers vì chúng nhận năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào từ sự oxy hóa các chất vô cơ, hữu

cơ hoặc từ CO2 Chúng đều có yêu cầu về môi trường riêng biệt cho sự sinh trưởng và phát triển, chỉ hoạt động trong điều kiện hiếu khí Là loài tái sinh chậm hơn so với vi sinh vật

dị dưỡng, nhiều kim loại hoặc hợp chất hữu cơ gây ức chế sự phát triển của vi sinh vật nitrat hóa Hai chủng vi khuẩn tham gia vào quá trình Nitrat hóa được mệnh danh là “khắc tinh” của nước thải vượt Nitơ vì chúng có khả năng chịu được tải lượng Nitơ ô nhiễm lên đến 1.500 mg/l, chúng chiếm 3-10% trong quá trình bùn hoạt tính nitrat hóa

 Điều kiện để 2 vi sinh vật trên phát triển:

Nhiệt độ: nhiệt độ thích hợp cho quá trình nitrat hóa từ 25 – 30oC

Hình 2 2 Vi khuẩn Nitrobacter

Nồng độ pH: độ pH tối ưu cho vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter nằm khoảng 7.5 – 9 và 7 – 9.3 Sự oxy hóa nitrit bị giảm tại pH kiềm do dự ức chế cạnh tranh giữa NO2

-và OH-

2.1.2 Cơ chế quá trình nitrat hóa:

Sau quá trình amon hóa, NH3 được hình thành một phần được thực vật hấp thụ, một phần kết hợp với các hợp chất tạo thành các muối amon với ion NH4+ Quá trình nitrat hóa

là quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ nito, từ amonia thành nitrit và từ nitrit thành nitrat nhờ vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter Quá trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn

là nitrit hóa và nitrat hóa

 Nitrit hóa:

Là quá trình oxy hóa amonium (NH4+) thành nitrit (NO2-) được thực hiện bởi các vi khuẩn nitrat hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng chủ yếu là loài Nitrosomonas, chúng có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy và giải phóng năng lượng

NH4+ + 3 2O2

𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑜𝑚𝑜𝑛𝑎𝑠

→ NO2- + H2O + 2H+

 Nitrat hóa:

Là quá trình mà nitrit (NO2-) bị oxy hóa thành nitrat (NO3-) bởi nhóm vi khuẩn nitrat, cũng là các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, chủ yếu là loài Nitrobacter, chúng thực hiện phản ứng oxi hóa nitrit để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa năng lượng CO2

NO2- + 1

2

⁄ O2

𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟

→ NO3

- Các vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng năng lượng lấy từ các phản ứng trên để duy trì hoạt động sống và tổng hợp sinh khối Có thể tổng hợp quá trình như sau:

NH4+ + 2O2  NO3- + H2O + 2H+

Với quá trình tạo ra được năng lượng, một số ion amonium được đồng hóa vận chuyển

4CO2 + HCO3- + NH4 + H2O  C5H7NO2+ 5O2

C5H2O2N tạo thành dùng để tổng hợp nên sinh khối mới cho tế bào vi khuẩn

Lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoni thành nitrat cần 4.3 mgO2/1 mg NH4+

Hình 2 3 Quá trình phân hủy nito tự nhiên trong nước

2.1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình:

Nồng độ amoni: nếu không đủ amoni dư, không thể xảy ra quá trình nitrat hóa Nồng độ pH: để vi sinh khuẩn phát triển thì pH khoảng 6 – 9, độ pH lý tưởng để vi khuẩn nitrat hóa đạt hiểu quả cao từ 7.5 – 8.5

Lượng oxy hòa tan: quá trình nitrat hóa cần 4.33 mg/l oxy trên mg/l NH4+ - N Lượng

dư oxy hòa tan trong bể sục khí phải duy trì DO trên 3mg/l để đảm bảo đủ lượng oxy

Độ kiềm: mỗi mg/l amoni bị oxy hóa cần 7.15 mg/l độ kiềm Thường các hệ thống được kiểm soát độ kiềm từ 100 – 200 mg/l CaCO3-

Thời gian lưu nước bể sục tối thiểu 4h

Nhiệt độ: vi khuẩn nitrat hóa là loài ưu nhiệt, nhiệt độ tối ưu 30oC Nếu dưới 30oC, tốc độ nitrat hóa giảm nhanh

2.2 Quá trình khử nitrat:

2.2.1 Vi khuẩn tham gia vào khử nitrat:

Vi khuẩn khử nitrat hóa rất quan trọng trong quá trình khử nitrat để xử lý nước thải nhanh chóng Vi khuẩn chứa những enzyme giúp chuyển hóa nitrat có trong các hợp chất hữu cơ thành khí nito để giải phóng khí ra môi trường Hiện nay các nhà khoa học đã xác định được hơn 50 chi với 125 loài vi khuẩn nitrat khác nhau

Vi khuẩn khử nitrat gồm những loài: Bacillus, Pseudomonas, Thiobacillus, Methanomonas, Paracoccus, Spirillum Các loài vi khuẩn này đều là vi sinh vật dị dưỡng

và có thể sử dụng nhiều chất cho điện tử, nguồn cacbon có thể cung cấp bởi Metanol, Etanol, Axetat cho tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ CH3OH là cơ chất bên ngoài phổ biến để khử nitrat, là hợp chất cacbon đơn Vi khuẩn phát triển trên Metanol có hiệu suất sinh khối thấp vì chúng cần lượng lớn năng lượng cho việc tổng hợp tế bào từ metanol Trong các loài vi khuẩn khử nitrat, vi khuẩn Pseudomonas là một trong những loài tham gia vào quá trình khử nitrat lớn nhất Nó có quá trình oxi hóa khử do hệ enzyme nội bào

Hình 2 4 Sơ đồ quá trình khử nitrat