Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ vận hành đến hiệu quả xử lý nitơ của hệ thống sinh học yếm khí thiếu khí hiếu khí

Trong các phương pháp ừên, 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.. Trong quá trình thu gom và vận chuy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2

KHOÀ HÓA HỌC

TRỊNH TRỌNG LOAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ Đ ộ VẬN HÀNH ĐẾN

HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ CỦA HỆ THỐNG SINH

Chuyên ngành: Hóa Công Nghệ- Môi Trường

HÀ NỘI- 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2

TRỊNH TRỌNG LOAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ Đ ộ VẬN HÀNH ĐẾN HIỆU QUẢ XỬ LÝ NITƠ CỦA HỆ THỐNG SINH HỌC YẾM KHÍ- THIẾU KHÍ- HIẾU KHÍ

KHÓA LUẬN TÓT NGHỆP ĐẠI HỌC • • • •

Chuyên ngành: Hóa Công Nghệ - M ôi Trường

Người hướng dẫn khoa học ThS Lê Cao Khải

HÀ NỘI- 2015

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện chương trình Đại học và thực hiện tốt khóa luận tốt nghiệp,

em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các quý Thầy, Cô của trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 và các Thầy, Cô của Viện Công nghệ Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Em xin cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn ThS Lê Cao Khải đã dành thời gian

và tâm huyết để hướng dẫn em thực hiện tốt khóa luận tốt nghiệp

Đồng thời em xin cảm ơn các Thầy, Cô của trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đặc biệt là các thầy cô đã dạy và hướng dẫn em trong thời gian em học tại trường

Em xin cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường và các Thầy, Cô ừong Khoa Hóa học đã tạo điều kiện tốt nhất để em học tập và hoàn thiện tốt khóa học

Em xin cảm ơn các anh, chị, các thầy cô thuộc Viện Công nghệ Môi Trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện cho

em thực nghiệm tại đây để hoàn thành tốt khóa luận

Em đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp theo đúng tiến độ của Nhà trường

đề ra với cố gắng và sự nhiệt tình của bản thân, tuy nhiên vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của các thày cô và các bạn để khóa luận tốt nghiệp được hoàn thiện tốt hơn

Hà Nội, Ngày 08 tháng 05 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Trịnh Trọng Loan

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẤT

AO (Anoxic - Oxic)

AAO (Anaerobic - Anoxic - Oxic)

BOD5 (Biochemical Oxygen Demand)

COD (Chemical Oxygen Demand)

MBR (Membrane Biological Reactor)

MLSS (Mixed liquor suspended solids)

Chế độLượng oxy hòa tan trong nướcHiếu khí

Kỵ khíThiếu khíTổng NitơMàng sinh họcTải lượng bùn hoạt tínhNước thải sinh hoạtNhu cầu tiêu thụ oxy do nitơQuy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thảisinh hoạt

Tiêu chuẩn Việt Nam Tổng chất rắn lơ lửng Hàm lượng chất rắn lơ lửng

Bảng 1.1 Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt 6

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn thải nước khu dân cư 6

Bảng 1.3 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích 7

theo các phương pháp của APHA 7

Bảng 1.4 Yêu càu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT 8

Bảng 1.5.Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải 20

Bảng 3.1 Đặc trung của nước thải trong nghiên cứu 37

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Chu trình N itơ 11

Hình 1.2 Chu trình Nitơ có thêm mắt xích Anammox 19

Hình 1.3 Quá trình nitrat hóa trên màng tế bào chất của sinh v ậ t 25

Hình 1.4 Một số quy trình công nghệ xử lý Nitơ trong nước thải 27

Hình 1.5: Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AO 29

Hình 1.6 Sơ đồ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ AAO 31

Hình 2.1 Mô hình hệ thống thí nghiệm AAO 35

Hình 2.2 Mô hình hệ thống thí nghiệm AO 36

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tải lượng NH4+ vào đến hiệu suất xử lý NH4+ 38

Hình 3.2 Ảnh hưởng của tải lượng NH4+ vào đến hiệu suất xử lý TN 39

Hình 3.3 Anh hưởng của chế độ sục khí đến quá trinh xử lý NIỈ4+ và Tổng- N40 Hình 3.4 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý COD 41

MỤC LỤC

MỞ ĐÀU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN _ 3

1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 3

1.1.1 Nguồn gốc 3

1.1.2 Phân loại nước thải sinh hoạt [3] 4

1.1.2.1 Phân loại theo đặc trưng vật lý 4

1.1.2.2 Phân loại theo đặc trưng hóa học 4

1.1.2.3 Phân loại theo đặc trưng sinh hóa 5

1.1.3 Thành phàn và đặc tính nước thải sinh hoạt 5

1.2 Tổng quan về nitơ trong nước thải sinh hoạt 8

1.2.1 Sơ lược về chu trình của nitơ trong tự nhiên [3] 8

1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm Nitơ trong môi nước 11

1.2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải 12

1.3 Các quá trình sinh học chuyển hóa các họp chất chứa Nitơ 13

1.3.1 Quá trình amon hóa 13

1.3.1.1 Amon hóaurê 14

1.3.1.2 Amon hóa protein 14

1.3.2 Quá trình nitrat hóa 15

1.3.2.1 Giai đoạn nitrit hóa 16

1.3.2.2 Giai đoạn nitrat hóa 16

1.3.3 Quá trình phản niừat 16

1.3.4 Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox) 18

1.4 Tổng quan về công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt 19

1.4.1 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt 19

1.4.2 Cơ sở lí thuyết của các quá trình sinh học xử lý nitơ trong nước thải 21 1.4.2.1 Quá trình nitrat hóa 22

1.4.2.2 Quá trình khử nitrat hóa 24

1.4.3 Một số công nghệ xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt 26

1.4.3.1 Hệ A O 28

1.4.3.2 H ệA A O 31

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH 33 VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu _ 33 2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

2.2 Mục đích nghiên cứu 33

2.3 Nội dung nghiên cứu 33

2.4 Phương pháp nghiên cứu 33

2.4.1 Phương pháp tài kiệu kế thừa 33

2.4.2 Phương pháp phân tích 34

2.4.3 Phương pháp thực nghiệm 34

CHƯƠNG 3 _ 37 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN _ 37 3.1 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu 37

3.2 Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý NĨỈ4+, TN 37

3.2.1 Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý NĨỈ4+ 373.2.2 Anh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý TN 383.3 Anh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý NIỈ4+ và TN, COD 393.3.1 Anh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý NIỈ4+ và TN 393.3.2 Anh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý COD 40

KẾT LUẬN VÀ KIÉN NGHỊ _ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Ta biết rằng trung bình một ngày một người dùng trung bình hết 2L nước cho nhu cầu uống và nấu ăn Tùy thuộc vào điều kiện khí hậu thực tế mà lượng nước có thể tăng lên từ 3 - 4L/ngày đối với các nước ở khu vực nhiệt đới Nhưng thực tế lại cho thấy con người sử dụng nhiều hơn con số ấy rất nhiều lần để phục vụ cho các hoạt động sinh hoạt hằng ngày Cùng với nước thải do hoạt động nông nghiệp, công nghiệp nước thải sinh hoạt - nước đã nhiễm bẩn trong quá trình con người sinh hoạt được ròi khỏi khu vực đang sử dụng về nguồn nhận như ao, hồ, sông, biển Trong khi dịch chuyền một số chất độc hại sẽ ngấm vào đất làm ôi nhiễm môi trường đất tạo ra môi trường nước ngầm có chứa các chất độc hại Tác nhân gây ô nhiễm môi trường trong nước là các chất có khả năng chuyển hoá thành các chất khác và các chất bền tác động đến cân bằng sinh thái trong môi trường nước nhận

Hợp chất hữu cơ giàu thành phần cacbon có khả năng sinh huỷ (BOD) khi tồn tại trong nước với nồng độ lớn là nguồn cơ chất cho các loại vi sinh vật phát triển Với các loại vi sinh vật hiếu khí, trong quá trình phát triển và hoạt động chúng tiêu thụ một lượng oxy tan khá lớn, với mật độ cao sẽ gây đục nước và khi chết chúng lắng xuống lóp bùn đáy Trong điều kiện thiếu oxy các loại vi sinh vật yếm khí phát triển, tạo ra nhiều dạng họp chất có mùi hôi (các chất có tính khử cao như H2S, metan, axit hữu cơ dễ bay hơi) đầu độc môi trường nước và không khí vùng xung quanh

Nitơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, có mặt ở tất cả các hoạt động liên quan đến sự sống và trong rất nhiều ngành nghề sản xuất công nghiệp, nông nghiệp Hợp chất hoá học chứa nitơ, photpho được gọi là thảnh phàn dinh dưỡng trong phạm trù nước thải và là đối tượng gây ô nhiễm khá ừầm trọng cho môi trường Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hoá học vào

môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, cũng tương tự như vậy 1 kg photpho sẽ sinh ra được 138 kg COD dưới dạng tảo chết Trong nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra các hiện tượng: tảo và thủy thực vật khác phát triển rất nhanh tạo nên mật độ lớn gây ra hiện tượng phú dưỡng

- lượng dinh dưỡng cho thực vật (phân bón N, P) quá cao trong môi trường nước Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động liên tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không thể sống đối với thuỷ động vật từ đó gây ô nhiễm môi trường nước [3]

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 ừên, 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 cacbonic, nước và các chất vô cơ khác, do vậy

là phương pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường Bằng nhiều công trình nghiên cứu chúng ta đã có rất nhiều hệ thống đem vào vận hành để

xử lý nitơ trong nước đem lại hiệu quả cao Hệ AO và AAO là hai hệ thống tốn ít chi phí, dễ lắp đặt và vận hành để xử lý nitơ trong nước thải sẽ cho hiệu suất xử lý cao nếu ta tìm được chế độ vận hành thích họp Xuất phát từ lý do

đó tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ vận hành đến hiệu

quả x ử lý nỉtơ của hệ thống sinh học yếm khí - thiếu khỉ - hiếu khí” làm đề

tài nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 Nguồn gốc

Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày của con người như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ăn Lượng nước thải thực sự từ mỗi người hàng ngày gần tương đương với lượng nước tiêu thụ, chỉ khoảng 4 L/ngày, khi đó hàm lượng chất rắn trong nước thải sẽ đạt trên 10% Tuy nhiên, trong cuộc sống hàng ngày, lượng nước sử dụng trên đầu ngưòi cao hơn nhiều lần, mức độ càng cao khi khả năng cung cấp càng lớn và càng giàu có càng tiêu thụ nhiều nước Đó là nước dùng vào các mục đích vệ sinh, chuẩn bị đồ ăn thức uống hàng ngày Trong quá trình thu gom và vận chuyển nước thải về nguồn nhận nước, các thành phần có khả năng sinh hủy bị biến đổi theo thời gian, các thành phần dễ sinh hủy bị phân hủy với tốc độ cao hơn

so với các thành phàn khó phân hủy nên thành phần tạp chất trong nước thải biến động cả về số lượng và nồng độ tạp chất theo thời gian và mang tính cục

bộ (đặc thù) khá cao

Nhìn chung,tại các thành phố lớn của các nước phát triển, mức độ sử dụng nước nằm trong khảng 150 - 200 L/ngày trên đầu người Tại các vùng nông thôn, mức độ sử dụng nước thường thấp hơn so với thành phố

Trong sinh hoạt gia đình, nướcthải bao gồm ba nguồn chính với lưu lượng gàn ngang nhau: từ nhà vệ sinh, từ các hoạt động vệ sinh nhà cửa, tắm gội, từ giặt giũ và chuẩn bị cho ăn uống Nước thải từ bể phốt được gọi là nước thải đen, nước thải từ nhà bếp và tắm giặt gọi là nước thải xám

Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm các chất cặn bã hữu cơ, các chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD, COD), các chất dinh dưỡng (nitơ, photpho), các vi trùng gây bệnh (ecoli, colifrom )

1.1.2 Phân loại nước thải sinh hoạt [3]

1.1.2.1 Phân loại theo đặc trưng vật lý

Đặc trưng vật lý của tác nhân gây ô nhiễm bao gồm các tiêu chí: trạng thái tập hợp, khối lượng riêng và mức độ phân tán

Trạng thái của vật chất trong nước thải gồm ba dạng là hơi (khí), lỏng và rắn Khí và chất rắn có thể nổi trên mặt nước hay phân tán trong nước dưới dạng hạt keo (chất rắn mịn, khó lắng) hay dạng nhũ, bọt khí Tính chất nổi, chìm hay phân tán của chất rắn và lỏng trong nước trước hết phụ thuộc vào khối lượng riêng của nó so với của nước và mức độ phân tán (kích thước càng nhỏ thì độ phân tán càng cao) Mức độ phân tán có thể chia thành ba cấp: tan (tồn tại ở mức phân tử độc lập trong nước), chỉ tan một phần (dạng keo, ví dụ keo gelatin, lòng trắng trứng) và dạng huyền phù Kích thước của các chất rắn ừong nước thải nằm trong khoảng rất rộng, từ vài mm đến mức phần triệu

mm (virut) Kích thước của chất rắn liên quan mật thiết đến biện pháp kỹ thuật tách chúng ra khỏi nước (kích thước lưới lọc rác, loại màng lọc)

1.1.2.2 Phân loại theo đặc trưng hóa học

Trong nước thải, hầu như tất cả các nguyên tố hóa học bền đều có thể có mặt, tuy yậy không nhất thiết và cũng không thể nhận biết chúng một cách chi tiết được Trước hết chúng được phân loại theo tiêu chí họp chất vô cơ, hữu

cơ Hợp chất vô cơ bao gồm các thành phần không thuộc kim loại (nitrat, photphat, sunfat), thành phần bán kim loại (borat, silicat ) và kim loại (muối

Na, Cu, Ca )

Hợp chất hữu cơ có thể phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (ví dụ chất hữu cơ mạch thẳng, mạch vòng, đồng phân, nhân thơm ) Cách phân loại đó phức tạp và thiếu tính thực tế trong công nghệ xử lý nước thải do sự tồn tại của hàng triệu chất hữu cơ đã biết cho tới nay Cách phân loại thực tế

và có ích hơn là theo nguồn gốc của chúng: từ tự nhiên hay thuộc loại nhân

tạo Tuy vậy cách phân loại này cũng gặp những khó khăn vì nhiều loại hợp chất hữu cơ có ừong thiên nhiên cũng được con người chế tạo và còn biến tính thành các hợp chất mói hữu dụng hơn Đại diện cho các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên như mỡ, protein, carbohydrat, axit humic, tanin, lignin Hợp chất hóa học tổng hợp có thể là chất tẩy rửa, nước gội đầu, xà phòng, hóa

mỹ phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, chất màu công nghiệp

1.1.2.3 Phân loại theo đặc trưng sinh hóa

Phân loại tạp chất trong nước thải theo phương diện sinh hóa dựa trên đặc điểm về tốc độ phân hủy chúng bởi vi sinh vật gây ra trong các hệ thống

xử lý nước thải, ví dụ phân hủy nhanh (đường, rượu etanol, metanol), chậm (mỡ, protein), không phân hủy, bền trong môi trường tự nhiên (hợp chất hữu

cơ chứa clo, một số loại thuốc trừ sâu), độc (đioxin)

1.1.3 Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40 - 50%), hydrat cacbon (40 - 50%) Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450 mg/L theo trọng lượng khô Có khoảng 20 - 40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lí thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Trong nước thải sinh hoạt, nitrat và nitrit 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 họp 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 cộng, thời tiết, khí hậu ừong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt Bảng 1.1.sau đây thể hiện các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt bao gồm cả ô nhiễm bởi các họp chất chứa nitơ.

Bảng 1.1 Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt

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

Ngoài ra, lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm hệ thống thoát nước điều kiện trang thiết bị vệ sinh và có thể tham khảo theo bảng 1.2.sau đây:

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn thải nước khu dân cư

trình

Tiêu chuân thải (I/ngưòi)

1 Có hệ thông câp thoát nước, có dụng cụ

vệ sinh, không có thiết bị tắm

80 -1 0 0

2 Có hệ thông câp thoát nước, có dụng cụ

vệ sinh và thiết bị tắm (vòi sen)

110-140

3 Có hệ thông câp thoát nước, có dụng cụ 140-180

vệ sinh, có bồn tắm và cấp nước nóng

Bảng 1.3.Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích

theo các phương pháp của APHA

\ -1 -(Nguôn: Giảo trình công nghệ xử lỷ nước thải, Trân Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 2002)

Từ đặc tính của nước thải cho thấy các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nitơ, photpho, ss, TOC chất tẩy

rửa, trong nước thải sinh hoạt hàm lượng nitơ và photpho rất lớn, (từ 50 đến 55%), chứa nhiều vi sinh vật, trong đó có vi sinh vật gây bệnh phát triển Nếu không được xử lý thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng Đồng thời trong nước thải còn có nhiều vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ, càn thiết cho các quá trình chuyển hoá chất bẩn trong nước Như vậy nước thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước Và vấn

đề đặt ra là yêu cầu chất lượng nước thải sau khi xử lý phải đạt yêu càu theo

tiêu chuẩn thải sau:

Bảng 1.4 Yêu cầu nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT

Giới hạn cho phép (QCVN 14:2008)

1.2 Tổng quan về nỉtơ trong nước thải sinh hoạt

1.2.1 Sơ lược về chu trình của nỉtơ trong tự nhiên [3]

Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học, tham gia và chuyển hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa

các dạng họp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ Trong môi trường hiếu khí, thực vật chết và protein động vật bị vi sinh vật phân hủy, thải ra amoniac và amoniac bị oxy hóa thành nitrit, nitrat Nitrat, amoniac từ phân hủy hiếu khí và

từ quá trình cố định đạm tham gia xây dựng tế bào thực vật, vi sinh vật nằm dưới dạng hợp chất hữu cơ Chất hữu cơ chứa nitơ trong thực vật, vi sinh vật được động vật tiêu thụ để sản xuất protein Đó là chu trình nitơ tổng thể Mặc

dù nhóm vi sinh vật cố định đạm từ khí nhỏ nhưng chúng có vài trò khá quan trọng, nổi bật trong trường hợp thiếu đạm

Trong môi trường nước, sự chuyển hóa của hợp chất nitơ có những nét đặc trưng riêng

Họp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng họp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin ) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo thành amoniac

Trong điều kiện nước chảy, amoniac sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo một trong ba phương thức:

- Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để tạo ra sinh khối

- Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac nếu áp suất riêng của nó trong không khí thấp hơn mức bão hòa (hầu như luôn tồn tại) Mức độ bay hơi trước hết phụ thuộc vào pH của môi trường Amoniac là một bazơ yếu có cường độ bazơ là 9,25 Tại pH = 9,25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung hòa (NH3) có khả năng bay hơi và 50% tồn tại ở dạng ion amoni (NH4+) không bay hơi Tại pH = 7,2 tỉ lệ nồng độ giữa dạng ion và trung hòa là 100/1, ngược lại tại pH = 11,25 thì tỉ lệ trên là 1/100 pH cao là điều kiện cần để amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi Sục khí và nhiệt độ cao thúc đẩy amoniac bốc hơi (giải hấp thụ)

- Sự có mặt của amoniac trong nước gây ra nhu càu tiêu thụ oxy do nitơ ( Nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (vi khuẩn Nitrobacter) Để oxy hóa 1 g amoniac càn 4,5 g oxy Quá trình oxy hóa amoniac phụ thuộc trực tiếp vào mật độ của chủng vi sinh Nitrifier và nồng

độ oxy tan ừong nước Trong các dòng chảy (sông, suối, mương ) có lớp nước nông quá trình oxy hóa diễn ra mạnh hơn so với các nguồn nước sâu

Mức độ sinh trưởng và phát triển của chủng loại vi sinh Nitrifier (oxy hóa amoniac) thấp nên mật độ phân tán của chúng trong nước cũng thấp, hiệu quả oxy hóa amoniac không cao Vi sinh Nitrifier thường tập hợp lại thành màng bám vào đất đá ven bờ và cũng chính ở các địa điểm đó hàm lượng oxy cục bộ cũng cao hơn giá tri trung bình của nguồn nước Vì lý do đó nên tốc độ oxy hóa amoniac phụ thuộc vào tỉ lệ giữa diện tích tiếp xúc và thể tích của dòng chảy, các nguồn chảy nông tạo điều kiện tốt hơn cho quá trình so với dòng chảy sâu Mặt khác lớp nước trên bề mặt cũng có nhiệt độ thường cao hơn so với dưới lóp nước sâu

Trong các nguồn nước lặng (ao, hồ, đập ) sự biến động của họp chất nitơ, photpho luôn liên quan đến tảo và gây ra hiện tượng phú dưỡng Amoniac và nitrat được tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein, khi chết bị phân hủy thành amoniac từ nguồn thực vật và vi sinh vật

Vi sinh vật sử dụng amoniac để xây dựng tế bào, một phần tế bào bị chết (phân hủy nội sinh) tiết ra amoniac và một phần tạo ra lượng sinh khối thực Loại vi sinh tự dưỡng thực hiện phản ứng oxy hóa amoniac với oxy để sản xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa Loại vi sinh tùy nghi, dị dưỡng khử nitrit và nitrat với chất hữu cơ (chất cho điện tử) và tạo

thành khí nitơ Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học

Tế bào Nitơ hữu cơ Tế bào thưc

Phân hủy nội sinh

Chất hữu cơ cacbon

Hình 1.1 Chu trình Nitơ 1.2.2 Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nìtơ trong môi nước

Trên thực tế có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm nitơ trong môi trường nước, nhưng nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nitơ trong nước theo đánh giá của các nhà khoa học là từ các nguồn nước như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có chứa các hợp chất nitơ, phân bón sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Bên cạnh đó, rác thải ở nhiều khu dân cư không được thu gom xử lý đã tác động xấu tới nguồn nước Ở Việt Nam, một nguồn chính khác góp phàn gây ô nhiễm nitơ trong nước là các hoạt động sản xuất nông nghiệp, nước ta đang sử dụng trên 9 triệu ha đất nông nghiệp, hằng năm phải bón 5 - 7 triệu tấn phân hóa học Như vậy, phân bón hóa học (urê, lân, kali)

sẽ còn một lượng dư thừa lớn, có tới hàng nghìn tấn các chất nitơ, photpho,

kali trong đất mỗi năm sẽ rửa trôi theo sông ngòi, mương rạch ảnh hướng đến nguồn nước cấp sinh hoạt, hoặc ngấm xuống gây ô nhiễm tàng nước ngầm Không chỉ vậy, một số ngành công nghiệp có nước thải chứa nitơ cũng là nguồn gây nên tình trạng ô nhiễm nitơ trong môi trường nước Với mức độ tăng trưởng kinh tế như hiện nay, chắc chắn Việt Nam sẽ gặp khó khăn đáng

kể với vấn đề ô nhiễm môi trường nước nếu không có các biện pháp xử lý ô nhiễm phù họp và kịp thời

1,2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải

Amoni hàu như không có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người, nhưng trong quá trình khai thác, lưu trữ và xử lý amoni được chuyển hoá thành nitrit (N02 ) và nitrat (N03 ) là những chất có tính độc hại đối với con người Nitrit là chất rất độc vì nó có thể chuyển hoá thành nitroamin, chất này có khả năng gây ung thư cho con người Nitơ tồn tại trong hệ thuỷ sinh ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ, các dạng nitơ vô cơ cơ bản tồn tại với tỉ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện của môi trường nước Nitrat là muối nitơ vô cơ trong môi trường nước được sục khí đầy đủ và liên tục, nitrit tồn tại trong điều kiện đặc biệt, còn amoniac (NH3) và ion NH4+ tồn tại trong điều kiện kỵ khí

Amoniac hoà tan trong nước tạo thành dạng amoni hydroxit (NH4OH) và

sẽ phân ly thành ion NH4+ và OH\ Quá trình oxi hoá có thể chuyển tất cả các dạng nitơ vô cơ thành ion nitrat, còn quá trình khử sẽ chuyển hoá chúng thành dạng ion amoni Nitơ không những chỉ có thể gây ra các vấn đề phú dưỡng mà khi chỉ tiêu N - NO3- trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45 mg/1 sẽ gây ra mối đe doạ nghiêm ừọng đối với sức khỏe con ngưòi Một số nghiên cứu ở Nepan đã khẳng định khi hàm lượng NO3- trên 45 mg/L sẽ khiến cho dân cư dùng thường xuyên nguồn nước này bị mắc các bệnh ung thư về dạ dày, thực quản và bệnh tiểu đường

Trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hoá nitrat thành nitrit Nitrit có ái lực với hồng càu trong máu mạnh hom oxy, khi

nó thay thế oxy sẽ tạo thành methermoglobin, họp chất này không thể nhận oxy

và gây ra bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ (methemoglobinemia), thậm chí có thể gây tử vong Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn bệnh này vì hàm lượng enzym methaemoglobin reductase tương đối thấp - đây

là một loại enzym có khả năng chuyển hoá methermoglobin ừở lại thành hemoglobin

Ngoài Mỹ, một số nước Đông Ầu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao Ví dụ tại Transylvania ở Rumani ừong thời gian từ 1990 - 1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363

ca nhiễm độc Độ nguy hiểm của N 03- đã khiến người Mỹ quy định ừong Đạo luật về An toàn Nguồn nước Sinh hoạt của Mỹ (SDWA - Safe Drinking Water Act) hàm lượng N - N03 tối đa là 10 mg/1 [8]

Ngoài ra, nếu trong nước tồn tại amoni sẽ làm giảm hiệu quả của khâu clo hoá sát trùng là bước cuối cùng trong quá trình xử lý nước hiện hành, nhằm đảm bảo nước hoàn toàn an toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng Khi có mặt amoni, hợp chất này phản ứng ngay với clo tạo thành cloramin (bao gồm monochloramine, dichloramine, tìichloramine, organochloramine) có tính sát khuẩn kém hàng trăm lần so vói clo nguyên tố Bên cạnh đó amoni là nguồn dinh dưỡng cho các sinh vật nước, tảo sinh trưởng và phát triển Sự phát triển này làm

ô nhiễm nước thứ cấp ừong quá trình lưu trữ, đồng thời sinh ra các chất độc nitrit và nitrat

1.3 Các quá trình sinh học chuyển hóa các họp chất chứa nitơ

1.3.1 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 họfp chất đơn giản là (NĨỈ4+) hoặc NH3 Quá trình amon hóa bao gồm:

1.3.1.1 Amon hóa urê

ưrê có ừong 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 amon hóa Quá trình amon hóa chia làm hai giai đoạn

Đầu tiên, dưới tác dụng của enzym urê được tạo ra bởi các vi sinh vật, urê sẽ bị phân hủy tạo thành muối cacbonat amoni Sau đó, cacbonat amoni được phân giải thành NH3, CO2 và H2O

CO(NH2)2 + 2 H20^ (NH4)2C0 3 ( Giai đoạn 1)(NH4)2C0 3 —> 2 NH3 + CO2 + H2O ( Giai đoạn 2)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

1.3.1.2 Amon hóa protein

Protein là thảnh phần quan trọng của tế bào sinh vật Protein chứa 15 - 17% Nitơ nhưng cây ừồng 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 peptit (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acxit amin

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

pedtidase các polypedtit và oligopeptit 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:

amon hóa protein Trong nhóm vi khuẩn có Bacỉllus mycoỉdes, Bacỉllus

mesentericus, Bacỉllus subtilis, Pseudomona fluorescens, Clostridium sporogenes Xạ khuẩn có Streptomtces rỉmosus, Stretomyces grỉseus

1.3.2 Quá trình nitrat hóa

Quá trình nitrat hoá là quá trình oxy hoá sinh hoá nitơ các muối amon, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat 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:

•S Vi khuẩn nitrit oxy hóa amoniac thành nitrit (giai đoạn 1).

•S Vi khuẩn nitrat oxy hóa nitrit thành nitrat (giai đoạn 2).

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

2 NH3 + 3 02 —> 2 HNO2 + 2 H20 (giai đoạn 1)

2 HNO2 + O2 —> 2 HNO3 (giai đoạn 2)

Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ

Quá trình nitrit hóa còn có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải Quá trình nitrat hóa 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.

1.3.2.1 Giai đoạn nỉtrỉt hóa

Là giai đoạn oxy hóa NĨỈ4+ tạo thành NO2' được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrit hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng

NĨÍ4+ + 3/ 2 O 2 —> NO2 + H20 + 2H+ + Năng lượng

Năng lượng để đồng hóa CO2 tạo ra cacbon hữu cơ Enzym xúc tác cho quá trình này là các enzym của quá trình hô hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vật nitrite hóabao gồm bốn chi khác nhau: Niừosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường có chất hữu cơ

1.3.2.2 Giai đoạn niừat hóa

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

NO2' + Vi O2 —» NO3' + Năng lượng Nhóm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Niừobacter, Niưospira, 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

1.3.3 Quá ừình phản nỉtrat

Quá trình phản nitrat hay còn gọi là quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn khử

nitrat) Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat 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.

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 nitrat, nitrit làm chất oxy hóa để sản xuất ra năng lượng

Quá trình khử nitrat thường được nhận dạng là khử nitrat 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 niừat, nitrit làm chất oxy hóa Vĩ vậy thực chất quá trình khử niừat xảy

ra ừong điều kiện thiếu khí (anoxic)

Để khử nitrat, 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 cacbon để xây dựng tế bào (ngoài phàn sử dụng cho phản ứng nitrat) Quá trình khử nitrat 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:

N 03 -► NO2 —> NO —> N20 -► N2

Quá trình amon hóa nitrat do một số vi khuẩn dị dưỡng tiến hành trong điều kiện hiếu khí có chức năng cung cấp NIỈ4+ cho tế bào vi khuẩn để tổng hợp axit amin Tuy nhiên quá trình amon hóa nitrat 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

N 03 -»> N 02 -»N O -> NH2OH -» NH3

Phản ứng khử NO3' —> N2CI1Ỉ 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 họp nên ATP cho tế bào

N 03 -»> NO2- -> N 0 -> N20 -> N2

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 nitrat, 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

1.3.4 Quá trình oxy hóa kỵ khỉamoni (Anammox)

Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ 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 ammoni (Anaerobic Ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox) ừong đó ammoni được oxy hóa bởi nitrit 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 nitrat, nitrit và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử

NH4+ + N 02 -> N2 + 2H20

NH4+ + Vi 0 2 -> NO2 + 2H+ +H20Trên 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 mắtxích mới Các nghiên cứu từ cuối thập niên 1990 đã làm rõ nhiều khía cạnhcủa Anammox về mặt hóa sinh học, vi sinh học, sinh học phân tử,