Tìm hiểu một vài quá trình sinh học loại bỏ nitơ trong nước thải

• Bản chất các quá trình sinh học chuyển hóa các hợp chất chứa Nitơ được ứng dụng trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải.. Ý nghĩa của đề tài Khóa luận được thực hiện trên cơ sở lý thuyế

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Tốc độ đô thị hóa ở Việt Nam trong thời gian gần đây diễn ra rất nhanh chóng cùng với sự phát triển của công nghiệp Tỉ lệ dân số vì thế cũng tăng theo cùng với tốc độ đô thị hóa, kết quả là nước thải từ các thành phố, khu dân cư tập trung, khu công nghiệp cũng không ngừng gia tăng với khối lượng lớn Đối với nhiều loại nước thải có hàm lượng các chất dinh dưỡng như Nitơ, phospho cao, việc xử lý để loại ra các thành phần này trước khi xả ra môi trường là một yêu cầu quan trọng, nhằm hạn chế sự ô nhiễm nước ngầm, nước mặt

Cùng với nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp cũng chứa nhiều loại hợp chất phức tạp (vô cơ, hữu cơ) Một trong các dạng hợp chất gây nên sự ô nhiễm nước phải kể đến là các hợp chất chứa Nitơ Nếu hàm lượng Nitơ

có trong nước xả ra sông, hồ cao quá mức sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa kích thích sự bùng nổ nhanh chóng của rong, rêu, tảo làm bẩn nguồn nước và cạn kiện oxy hòa tan, đe dọa hệ sinh thái nước Bởi vậy, Nitơ là yếu tố cần phải được loại bỏ.Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý Nitơ gồm phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học Trong các phương pháp trên, việc áp dụng các quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất Nitơ là vấn đề cần được chú ý

và đẩy mạnh hơn nữa Đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tạo ra các sản phẩm có lợi như carbonic, nước và các chất vô cơ khác, do vậy là phương pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường

Trong thực tế các phương pháp sinh học để loại bỏ Nitơ đã và đang áp dụng tại một số hệ thống xử lý nước thải, nhưng các tài liệu có liên quan còn rời rạc, tản mạn, chưa được nghiên cứu nhiều, tài liệu còn rời rạc chưa sắp xếp lại thành hệ thống có

tính logic chặt chẽ Đó cũng là lý do để đề tài “tìm hiểu một vài quá trình sinh học loại bỏ Nitơ trong nước thải” ra đời.

1.2 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng bổ sung, tìm hiểu, sắp xếp, lựa chọn tài liệu làm cơ sở lý thuyết cho phương pháp loại Nitơ bằng quá trình sinh học

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

• Nguồn gốc, các dạng tồn tại của Nitơ trong nước và ảnh hưởng đến môi trường

• Bản chất các quá trình sinh học chuyển hóa các hợp chất chứa Nitơ được ứng dụng trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải

• Ứng dụng các quá trình sinh học để xử lý các hợp chất chứa Nitơ trong nước

và nước thải

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

Do đề tài chỉ hình thành trên cở sở lý thuyết mà không tiến hành thí nghiệm hay tiến hành làm thực nghiệm nên phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là phương phương pháp hồi cứu:

Trong quá trình thực hiện đề tài, tiến hành thu thập, sưu tầm các thông tin, tài liệu, số liệu, có liên quan đến nội dung nghiên cứu từ các tạp chí, sách báo, giáo trình, internet,…từ đó các kiến thức sẽ được lựa chọn và tổng hợp lại làm cơ sở cho quá trình thực hiện đề tài

1.3 Ý nghĩa của đề tài

Khóa luận được thực hiện trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải, tổng hợp lại các tài liệu quan có từ trong sách, báo, giáo trình, với mong muốn bổ sung và hoàn chỉnh hơn các vấn đề có liên hoan đến phương pháp

loại bỏ Nitơ bằng quá trình sinh học

CHƯƠNG 2

NGUỒN GỐC, CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA NITƠ TRONG NƯỚC

VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG

2.1 Các dạng tồn tại của các hợp chất chứa Nitơ trong nước

Nguyên tố Nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và trong thành phần các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa Đồng thời nó cũng tồn tại

ở nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên

Nguyên tố Nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N-3) là amoniac đến dạng oxy hóa (N+5) là nitrat Bảng 2.1 ghi các trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ và hợp chất hóa học đại diện cho trạng thái hóa trị đó

Bảng 2.1 Trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ trong hợp chất hóa học

Trong môi trương nước tự nhiên không bị ô nhiễm, các hợp chất amoniac, hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, dạng khí, nitrat và nitrit có nồng độ không đáng kể Tuy vậy chúng là nguồn Nitơ cho phần lớn sinh vật đất và nước Vi sinh vật sử dụng nguồn Nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lượng Trong các quá trình đó, hợp chất Nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác

Nguồn phát thải hợp chất Nitơ vào môi trường rất phong phú: từ các chất thải rắn, khí thải, nước thải nhưng quan trọng nhất là từ phân và chất bài tiết trong nước thải sinh hoạt

2.2 nguồn gốc của các hợp chất chứa Nitơ trong nước thải

2.2.1 Nguồn nước thải sinh hoạt

Thành phần Nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng rắn (phân) và các chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi).

Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh, tắm, giặt, nước rửa rau, thịt,

cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí Chúng thường được thu gom vào các kênh dẫn thải Hợp chất Nitơ trong nước thải bao gồm amoniac, protein, peptit, axit min cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng Mỗi người hằng ngày tiêu thụ 5 – 16g Nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30% trong số đó Hàm lượng Nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân 8 lần Các hợp chất chứa Nitơ, đặc biệt là protein, và urea trong nước tiểu bị thủy phân rất nhanh tạo thành amoni/amoniac Trong các bể phốt xảy ra các quá trình phân hủy yếm khí các chất thải, làm giảm lượng carbon hữu cơ nhưng không làm giảm hợp chất Nitơ đáng

kể Chỉ một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật Hàm lượng hợp chất Nitơ trong nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy yếm khí

Trong nước thải sinh hoạt, nitrate và nitrite có hàm lượng rất thấp do nồng độ oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp Thành phần amoni chiếm 60 – 80% hàm lượng Nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt

Nồng độ hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng nguồn thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ công công, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt…

Bảng 2.3 Sau đây thể hiện các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt bao gồm cả ô nhiễm bởi các hợp chất chứa Nitơ

Bảng 2.2 Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)

Bảng 2.3 Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt

2.2.2 Nguồn nước thải công nghiệp

Ô nhiễm do hợp chất Nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan đến chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay liên quan đến một số ngành nghề đặc biệt chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm thuộc da

Chế biến thực phẩm thải một lượng đáng kể hợp chất chứa Nitơ liên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm…

Nước thải từ khâu giết mổ chứa một lượng máu, mỡ, phân cùng các mảnh thịt vụn, nước thải từ khâu giết mổ được thu gom cùng với nước vệ sinh dụng cụ

Hợp chất chứa Nitơ nhanh chóng được tiết ra từ các thành phần rắn vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán, nhiệt độ môi trường và loại sản phẩm chế biến

Quá trình sản xuất một số loại hóa chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra lượng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, các hợp chất này dễ bị thủy phân trong môi trường và tạo ra amoniac.

Bảng 2.4 Nồng độ đặc trưng ô nhiễm N tổng thường tìm thấy trong một số loại nước

thải công nghiệp.

(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)

Nồng độ hợp chất Nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến động rất mạnh, không chỉ trong mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm

2.2.3 Nguồn thải từ nông nghiệp và chăn nuôi

Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm, lân cho cây trồng vì các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt Trong rất nhiều trường hợp người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất Nitơ trong đó để làm phân bón cho cây trồng Điều đáng bàn là ở chỗ một lượng khá lớn phân bón mà cây trồng không hấp thu được do nhiều nguyên nhân: phân hủy, rửa trôi (phân đạm urê, phân lân, phân tổng hợp NPK) hoặc do tạo thành dạng không tan, nhất thời cây trồng

không thể hấp thu (phân lân) Trong môi trường nước, urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac và khí carbonic:

Lượng Nitơ trong phân urê chiếm 46%, tuy nhiên do diện phân bố rộng nên hàm lượng amoniac trong nước mặt không cao Mặt khác khi tồn tại trong nước amoniac cũng bị các loại thủy thực vật khác như rong, rêu, tảo, cỏ dại hấp thu và một phần chuyển hóa thành dạng hợp chất khác như nitrate do hoạt động của vi sinh vật.Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏ hơn

so với nước sinh hoạt, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rác, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ tiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước

Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau Nồng độ hợp chất hữu cơ tăng dần theo thời gian lưu nước thải do lượng chất thải hữu cơ có khả năng sinh hủy rất lớn , trong thời gian lưu giữ chúng bị phân hủy yếm khí tạo ra metan và khí carbonic trong khi hợp chất Nitơ hầu như không bị biến động, trong khi đó các vi sinh vật bị chết cũng tiếp tục phân hủy tạo ra hợp chất Nitơ

Các kết quả đánh giá cho thấy, thủy động vật chỉ hấp thu được khoảng 25 – 40% lượng Nitơ trong thức ăn tổng hợp Do hiệu quả hấp thu Nitơ từ thức ăn không cao, phần còn dư nằm trong nước nuôi với hàm lượng khoảng 360mg/m2/ngày Phân tôm cá, thức ăn thừa và chất bài tiết cũng làm tăng nồng độ hợp chất Nitơ trong nước nuôi, nhất là khi phân và thức ăn thừa không được thu gom và tách ra khỏi nguồn nước nuôi kịp thời

Hợp chất Nitơ nhanh chóng bị thủy phân thành amoniac và được tảo hấp thu (hàm lượng protein thô trong tảo khô chiếm khoảng 50%, tương ứng với 8% N) Tảo

là nguồn thức ăn trực tiếp cho vật nuôi và của loài động vật phù du (nhỏ), mà động vật phù du là thức ăn của loài cá Khi hệ sinh thái trên ổn định thì mức độ ô nhiễm trong hồ không lớn

2.2.4 Nước rác

CO2(NH2)2 + H2O CO2 + 2NH3

Rác thải sinh hoạt từ các đô thị, thành phố có khối lượng khá lớn Tại các thành phố lớn ở Việt Nam, lượng rác thải bình quân tính theo đầu người là 0,6 – 0,8 kg/người/ngày Thành phần chủ yếu của rác thải là chất hữu cơ (rau, quả, củ, thực vật…) nhưng một lượng đáng kể các tạp chất vô cơ: gạch, sợi, xỉ than, sành, sứ, thủy tinh đặc biệt là polyme phế thải (bao bì) cũng thường có mặt.

Ở các nước đang phát triển, việc phân loại rác thải tại nguồn chưa được thực hiện rộng rãi, thường được thu gom chung và mang chôn lấp tại các bãi rác, đôi khi

sử dụng một phần để sản xuất phân bón hữu cơ

Thành phần hữu cơ chứa Nitơ trong rác chủ yếu là protein và một lượng nhỏ hơn các hợp chất axit nucleic, chitin, urê, các sản phẩm phân hủy từ thức ăn, xác động vật Trong quá trình phân hủy yếm khí, protein và các hợp chất chứa Nitơ bị thủy phân bởi enzym do vi sinh yếm khí và một phần hiếu khí tạo ra axit amin và tiếp tục thành amoni và carbon dioxit cùng với axit dễ bay hơi Một lượng không lớn axit amin, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng còn dư tồn tại trong nước rác

Nước rác được tách khỏi bãi chôn và thường được gom về các hồ chứa khi được xử lý và thải ra môi trường Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ (BOD, COD)

và hợp chất Nitơ trong nước thải dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện vật lý (gió, mưa, nóng lạnh) và thực vật là đối tượng đáng quan tâm khi đánh giá đặc trưng của nước rác

Hợp chất Nitơ trong các hồ gồm có: chất hữu cơ chứa Nitơ, amoni, nitrite, nitrate dạng tan trong nước và trong cấu trúc tế bào của vi sinh vật và tảo Trong hồ yếm khí, hợp chất Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni, một phần nằm trong tế bào của

vi sinh vật yếm khí Do không tách được sinh khối ra khỏi nước nên khi phân hủy, amoni được “trả lại” hầu như trọn vẹn trong môi trường nước

2.3 Ảnh hưởng của các hợp chất chứa Nitơ đến môi trường

2.3.1 Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng

Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng Khi trong nước thải có nhiều Amoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước Khi hàm lượng Nitơ trong nước cao có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có

màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy hoà tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.

Khi xử lý Nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất Nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Nitrate tạo chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các hợp chất nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrate lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa Khi vào cơ thể, nitrate chuyển hóa thành nitrite nhờ vi khuẩn đường ruột Ion nitrite còn nguy hiểm hơn nitrate đối với sức khỏe con người Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa Nitơ gây ung thư Trong cơ thể nitrite có thể oxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng oxy trong máu dẫn đến ngạt, buồn nôn, thậm chí nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

2.3.2 Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường

Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu, tảo dẫn đến thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như

NH4 , H2S, CO2, CH4 tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước

Đa số các hồ ở Hà Nội đang ô nhiễm nghiêm trọng bởi nước thải và trầm tích Lưu lượng nước thải chảy vào vượt quá khả năng tự làm sạch của các hồ Các dòng chảy vào hồ thậm chí làm bốc mùi hôi nồng nặc

Hiện tượng phú dưỡng hay còn gọi là hiện tượng tảo nở hoa Nhiều tảo xanh và các loài thực vật nổi phát triển rất nhanh trong nước hồ Sau khi chết đi, các loại tảo tích tụ tại đáy hồ ngày càng dày thêm Quá trình phân hủy của chúng kéo theo sự tiêu thụ lớn về oxy trong nước, làm biến mất các loài thủy sinh khác, đồng thời giải tỏa các chất khí có hại và hôi thối

2.3.3 Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước

Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu quả làm việc của các công trình Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.

CHƯƠNG 3

BẢN CHẤT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT CHỨA NITƠ ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG

KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

3.1 Sơ lược về chu trình của Nitơ trong môi trường nước tự nhiên

Trong môi trường nước, Nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ hòa tan hay không hòa tan Các hợp chất vô cơ quan trọng của Nitơ là NH3, NH4+, NO2-,

NO3-

Nitơ dạng khí có được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngoài không khí vào hay còn

có thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hóa Các dạng hợp chất vô cơ hòa tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, Nitơ lắng đọng dưới dạng albumine và dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ tiếp tục phân hủy thành ammoniac (NH3) và sau đó ammoniac sẽ hòa tan vào nước tạo ra NH4 Sau đó, NH3

và ion NH4+ sẽ biến đổi thành dạng nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của

vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Thực vật có thể hấp thu nhiều dạng đạm nói trên nhưng khả năng hấp thu NH4 và NO3- là tốt nhất, (mỗi loài thực vật ưa một dạng đạm khác nhau) Trong khi đó, một số loài vi khuẩn và tảo lại có khả năng sử dụng Nitơ phân tử nhờ quá trình cố định Nitơ

Hầu hết đạm NO3- được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy Đạm chứa trong tảo

bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác Hai quá trình yếm khí

là cố định Nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đó, quá trình phản nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sông hay đất ngập nước

Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật, động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan

Hình 3.1 Chu trình Nitơ trong nước

Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong môi trường nước diễn

ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các hợp chất vô cơ, giúp làm sạch môi trường nước Trong điều kiện kỵ khí, các axit amin không được vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu, H2S và các sản phẩm bốc mùi khó chịu chothủy vực

Quá trình amon hóa protein giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn Nitơ Nhờ quá trình này mà Nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon dễ dàng được thực vật sử dụng Nhờ quá trình này mà NH3 luôn luôn được phục hồi, cung cấp cho thực vật thủy sinh Có nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào

quá trình này, chủ yếu là các loài của giống Bacillus như: Bacillus mesentericus, Bacillus mycoide, Bacillus sustilis,…

Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa trong môi trường nước đi cùng quá trình đồng hóa CO2 cho cơ thể Ở thủy vực nước ngọt có các loài thuộc giống

Nitrobacter và trong các thủy vực nước lợ, mặn có Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis Vi khuẩn nitrate hóa phân bố rất ít trong các thủy vực sạch,

nghèo dinh dưỡng, trong các thủy vực giàu dinh dưỡng số lượng của chúng có nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khỏang 10 tế bào/ml nước Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra khi có mặt của oxy, nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi trường yếm khí với sự có mặt của các chất hữu cơ sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hóa là quá trình phản nitrate Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O

Vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hóa bao gồm bao gồm các loại kỵ khí không bắt buộc như: Pseudomonas, Bacillus Trong điều kiện hiếu khí, chúng oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy của không khí, còn trong điều kiện kỵ khí, chúng tiến hành oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng con đường khử hydro để chuyển hydro cho nitrate và nitrite Quá trình này không có lợi vì nó làm mất Nitơ trong thủy vực

và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2- Trong đa số sinh cảnh, vi sinh chỉ có thể khử nitrate thành nitrite, chứ không có thể khử tiếp thành các dạng hợp chất khác Do đó, ở đâu có quá trình phản nitrate hóa xảy ra mạnh thì ở đó

có nhiều nitrite

Trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định Nitơ phân tử được thực hiện bởi

các loài vi khuẩn Azotobacter như: Azotobacter Agile và Azotobacter chroococcum

Ở sông, hồ thì hầu như gặp chúng ở mọi nơi Tại phần lắng đọng yếm khí, quá trình

cố định Nitơ phân tử được thực hiện bởi giống Clostridium như Clostridium pateurianum Gần đây, người ta đã xác định ngoài các loài thuộc giống Azotobacter

và Clostridium thì còn có một số loài vi khuẩn khác cũng có khả năng đồng hóa Nitơ phân tử bao gồm cả vi khuẩn quang tự dưỡng lẫn dị dưỡng Tuy nhiên, hiệu quả gắn kết Nitơ thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hóa một lượng Nitơ đáng kể Chúng chỉ có vai trò ở những phần lắng đọng yếm khí, còn trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định Nitơ phân tử được thực hiện chủ yếu

bởi các loài tảo xanh thuộc giống Nostoc, Phormidium, Calothrix, bởi vì các giống

tảo này thường rất nhiều trong các thủy vực

3.2 Các quá trình sinh học chuyển hóa các hợp chất chứa Nitơ được ứng dụng

để xử lý nước và nước thải

3.2.1 Quá trình amon hóa

Là quá trình phân hủy chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí dưới tác dụng của các loại vi sinh vật để tạo thành các hợp chất đơn giản là (NH4 ) hoặc NH3 Quá trình amon hóa bao gồm

3.2.1.1 Amon hóa urê

Urê có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22% nước tiểu Trong công thức cấu tạo, urê chứa tới 46,6% Nitơ, vì thế nó là nguồn dinh dưỡng đạm tốt với cây trồng Tuy nhiên, thực vật không thể đồng hóa trực tiếp urê

mà phải qua quá trình amôn hóa Quá trình amon hóa chia làm hai giai đoạn

Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, urê

sẽ bị phân hủy tạo thành muối carbonat amoni Sau đó, carbonat amoni được phân giải thành NH3, CO2 và H2O

Một số loài vi khuẩn có khả năng amon hóa urê, chúng đều tiết ra enzym

ureaza Trong đó có một số loài phân giải cao như: Micrococcus ureae, Bacillus amylovorum, Proteus vulgaris… Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí hoặc kỵ khí

không bắt buộc, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm

3.2.1.2 Amon hóa protein

Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật Protein chứa 15 – 17% Nitơ nhưng cây trồng và thực vật nước không thể hấp thụ trực tiếp protein mà phải thông qua sự phân hủy của vi sinh vật Quá trình này có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acid amin

Dưới tác dụng của enzyme proteinase, phân tử protein sẽ được phân giải thành các polypeptide và oligopeptide Sau đó dưới tác dụng của enzym

CO(NH2)2 + 2H2O (NH4) 2 CO3 (giai đoạn 1)(NH4) 2 CO3 2NH3 + CO2 + H2O (giai đoạn 2)

pedtidase các polypedtit và oligopeptide sẽ được phân giải thành các axit amin Một phần axit amin sẽ được tế tào vi sinh vật hấp thu làm chất dinh dưỡng Phần khác sẽ thông qua quá trình khử amin tạo thành NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác Sự khử amin có thể xảy ra theo các phương thức sau:

Trong nhóm vi khuẩn có Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, Bacillus subtilis, Pseudomona fluorescens, Clostridium sporogenes Xạ khuẩn có Streptomtces rimosus, Stretomyces griseus

3.2.2 Quá trình nitrate hóa

Quá trình nitrate hoá là quá trình oxy hoá sinh hoá Nitơ các muối amon, đầu tiên thành nitrite và sau đó thành nitrate dưới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện thích ứng

Vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa gồm hai nhóm:

 Vi khuẩn nitrite oxy hóa amoniac thành nitrite (giai đoạn 1)

 Vi khuẩn nitrate oxy hóa nitrite thành nitrate (giai đoạn 2)

Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau:

Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp ba lần so với giai đoạn thứ hai Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg Nitơ của muối amon ở giai đoạn nitrite là 343 mg O2 Sự có mặt của nitrate trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ

2 NH3 + 3 O2 2 HNO2 + 2 H2O (giai đoạn 1)

2 HNO2 + O2 2 HNO3 (giai đoạn 2)

Quá trình nitrite hóa còn có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ như đã trình bày ở trên Nhưng quan trọng hơn quá trình nitrate hóa còn tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa Nitơ khi lượng oxy tự do (oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn.

3.2.2.1 Giai đoạn nitrite hóa

Là giai đoạn oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrite hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4 bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng

Năng lượng để đồng hóa CO2 tạo ra carbon hữu cơ Enzym xúc tác cho quá trình này là các enzym của quá trình hô hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vật nitrite hóa bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus,

Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên

môi trường có chất hữu cơ

3.2.2.2 Giai đoạn nitrate hóa

NO2- tạo ra tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn nitrate hóa Đây cũng là các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxy hóa nitrite để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa

Nhóm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira,

Nitrococcus Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, còn có một số loài vi

sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrat hóa Đó là loài vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces

3.2.3 Quá trình phản nitrate

Quá trình phản nitrat hay còn gọi là quá trình khử nitrate là quá trình tách oxy khỏi nitrite, nitrate dưới tác dụng của các vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn khử nitrate) Oxy được tách ra từ nitrite và nitrate được dùng lại để oxy hoá các chất hữu cơ Quá trình này có kèm theo hiện tượng Nitơ tự do được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển

NO2- + ½ O2 NO3- + năng lượng

NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H+ + Năng lượng

Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifier Phần lớn loại vi sinh vật trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrate, nitrite làm chất oxy hóa để sản xuất ra năng lượng.

Quá trình khử nitrate thường được nhận dạng là khử nitrate yếm khí, tuy nhiên diễn biến quá trình sinh hóa không phải là quá trình hô hấp yếm khí mà nó giống quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrate, nitrite làm chất oxy hóa Vì vậy thực chất quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu khí (anoxic)

Để khử nitrate, vi sinh vật cần có chất khử, chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc chất vô cơ như H2, S, Fe2+ Phần lớn vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon để xây dựng tế bào (ngoài phần sử dụng cho phản ứng nitrate) Quá trình khử nitrate xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa trị của nguyên tố Nitơ từ +5, về +3, +2, +1 và 0:

Quá trình amon hóa nitrate do một số vi khuẩn dị dưỡng tiến hành trong điều kiện hiếu khí có chức năng cung cấp NH4 cho tế bào vi khuẩn để tổng hợp axit amin Tuy nhiên quá trình amon hóa nitrate không có ý nghĩa về diện môi trường, do hàm lượng N trong nước hầu như không đổi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

Phản ứng khử NO3- N2 chỉ xảy ra trong điều kiện thiếu khí Khi đó, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi hô hấp thiếu khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào

Đây là quá trình được ứng dụng rộng rãi hiện nay để loại bỏ Nitơ trong nước và nước thải

Song song với quá trình khử nitrate, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi

đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng phản ứng cần thiết cho phản ứng hóa học Các chất hữu cơ mà vi sinh vật Denitrifier có thể sử dụng khá đa dạng: từ nguồn nước thải, các hợp chất hóa học xác định được đưa từ ngoài hoặc các chất hữu cơ hình thành từ phân hủy nội sinh

3.2.4 Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox)

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

đó, về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đã được phát hiện Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anaerobic Ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox) trong đó ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kỵ khí, không cần sự cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành phân tử

Theo kết quả nghiên cứu, sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa amoni bởi nitrate, nitrite và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử

Trên cơ sở phát hiện vi khuẩn và phản ứng Anammox, chu trình chuyển hóa Nitơ tự nhiên có trong sách giáo khoa từ lâu đã được bổ sung một mắt xích mới Các nghiên cứu từ cuối thập niên 1990 đã làm rõ nhiều khía cạnh của Anammox về mặt hóa sinh học, vi sinh học, sinh học phân tử,…

Hình 3.2 Chu trình Nitơ có thêm mắt xích Anammox 3.2.4.1 Hóa sinh học của Anammox

Phản ứng Anammox đã được xác nhận là sự oxy hóa amoni bởi nitrite, phản ứng hóa học đơn giản với tỷ lệ mol NH4 : NO2- = 1:1 như ở phương trình (A-b) Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR), có tính đến sự tăng trưởng sinh khối, phản ứng Anammox đã được xác định với các hệ số tỷ lượng như sau:

N – hữu cơ

Anammox

Nitrate hóa

Sự tạo thành lượng nhỏ từ nitrate từ nitrite được giả thiết là để sinh ra các đương lượng khử khi đồng hóa CO2 Cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng Anammox đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.

3.2.4.2 Vi sinh học của Anammox

Đến nay, đã có 3 chi vi khuẩn Anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua Về mặt phân loại, các vi khuẩn Anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sau của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetles

Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương

pháp mẻ liên tục (SBR) Kết quả cho thấy vi khuẩn đã được đặt tên là Candidatus Brocadia anammoxidans.

Năm 2000, 2001, 2002 trên cơ sở nghiên cứu, các vi khuẩn Anammox phát hiện được ở hệ thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức), sau Thụy Sĩ và Bỉ, được xác định

là mới (độ tương tự dưới 90% so với Brocadia anammoxidans) và được đặc tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis.

Các loài Anammox khác đã được phát hiện từ đĩa quay sinh học nitrate hóa tại

một nhà máy xử lý nước thải ở Pitsea (Anh) và đã được đặt tên là Candidatus

“Scalindua brodae”, Candidatus “Scalindua wagneri”.

Một số đặc điểm sinh lý của vi khuẩn Anammox bao gồm nó có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 20 – 430C (tối ưu ở 400C), pH 6.6 – 8.3 (tối ưu ở pH 8.0) Ở điều kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 mol NH4+-N/g protein/min Tuy nhiên, vi khuẩn Anammox sinh trưởng rất chậm (thời gian thế hệ hơn 10 ngày)

3.2.5 Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật nước

Thực vật nuôi trồng trong hệ ngập nước có tác dụng xử lý nước thải và là nguồn sinh khối có khả năng tận dụng cho một số mục đích khác nhau Hệ ngập nước có thể phân thành các dạng chính là: nguồn nước nuôi trồng thực vật nổi và thực vật chìm trong nước, loại thực vật nửa nổi nửa chìm (rể bám trong thân và lá nằm trong nước

và không khí)

Tác dụng xử lý dinh dưỡng của các vùng ngập nước là: hấp thu do thủy thực vật, hoạt động vi sinh vật, một số phản ứng hóa học Các cơ chế trên xử lý dinh dưỡng từ nước thải trên tác động tương tác lẫn nhau và xảy ra đồng thời trong hệ

nhưng với tốc độ khá mạnh theo chu kỳ thời gian Thủy thực vật sử dụng cần đáp ứng được tiêu chí sau để lựa chọn:

 Hiệu suất sinh khối (sản lượng lớn)

 Khả năng tích lũy dinh dưỡng cao

 Có khả năng vận chuyển oxy từ không khí vào đất và nước

 Phát triển tốt trong các điều kiện thời tiết

Ngoài khả năng hấp thu dinh dưỡng cao từ nước thải, các loại thủy thực vật còn đóng vai trò chất mang của vi sinh vật và nhờ tương tác giữa thực vật với vi sinh

để tăng cường hiệu quả xử lý các chất gây ô nhiễm

Mức độ tích lũy dinh dưỡng trong tế bào thực vật được quyết định bởi tốc độ tăng trưởng sinh khối và thành phần dinh dưỡng trong tế bào thực vật Bảng 3.1 ghi sản lượng của một số loại thực vật, hàm lượng protein thô trong sản phẩm và sản phẩm thu hoạch tính theo protein

Bảng 3.1 Sản lượng và thành phần đạm của một số thực vật

(t/ha/năm) Protein thô (%)

Sản lượng protein (kg/ha/năm)

(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)

Đặc trưng tích lũy protein cao của bèo tấm chứng tỏ tiềm năng tách loại dinh dưỡng từ nước thải của loại thực vật này Khả năng hấp thu Nitơ của một số loài thực vật nước ở nhiều địa phương khác nhau được ghi trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Khả năng hấp thu Nitơ của một số loài thủy thực vật nổi trong mùa hè

Địa phương Loại thực vật Tốc độ hấp thu của Nitơ

(g m 2 /ngày)

(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)

Thành phần của nước thải cũng ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và hàm lượng protein trong sản phẩm

Bảng 3.3 Sản lượng bèo tấm sinh trưởng trong các loại nước thải

khô/ha/năm) Protein thô (%)

L gibba Nước thải sinh hoạt 10,9 – 54,8 30 – 40

S polyrrhiza

Nước thải từ bể phốt 9,2 – 21,4 24 – 28

L perpusilla

W arrhiza

S polyrrhiza Nước thải sinh hoạt 17,6 – 31,5 30

(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)

Thực vật nữa chìm nữa nổi mọc khá phổ biến tại các dẻo đất dọc bờ ao, hồ, có nhiều cây thuộc loại lưu niên, tốc độ tăng trưởng sinh khối và tích lũy dinh dưỡng cao Loại thực vật nữa chìm nữa nổi thường sử dụng để xử lý gồm: cỏ đuôi mèo, cây sậy và cây cỏ nên Các loại thực vật trên phân bố rộng ở các vùng khí hậu Về mùa đông phần thân trên thường bị chết, phần thân gốc và rễ tích lũy năng lượng để tiếp tục phát triển khi đến mùa xuân vào