Tìm Hiểu Khả Năng Tăng Sinh Phân Lập Và Đánh Giá Hoạt Lực Của Vi Khuẩn Aob Và Nob Có Nguồn Gốc Từ Nước Thải Chế Biến Thủy Sản

Và phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là xử lý bằng phương pháp sinh học để xử lý nước thải chế biến thủy sản phù hợp với tính chất của nước thải chế biến thủy sản là giàu chất hữu c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU KHẢ NĂNG TĂNG SINH PHÂN LẬP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT LỰC CỦA VI KHUẨN AOB VÀ NOB CÓ NGUỒN GỐC TỪ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN

THỦY SẢN

Chuyên ngành: VI SINH MÔI TRƯỜNG

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Hoài Hương

Sinh viên thực hiện : Trương Cao Dương

Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Hoài Hương, Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh

Những kết quả có được trong đồ án này là hoàn toàn không sao chép từ đồ án tốt nghiệp của người khác dưới bất kỳ hình thức nào Các số liệu trích dẫn trong đồ án tốt nghiệp này

là hoàn toàn trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về đồ án tốt nghiệp của mình

TP.HCM, ngày 21 tháng 7 năm 2012

Sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành nhất đến ba mẹ và gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em được cắp sách đến trường, theo đuổi con đường học vấn mà

em đã chọn suốt 16 năm qua

Lời thứ hai, cho em gửi lời tri ân chân thành nhất đến các thầy các cô những người đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt cho em những kiến thức hay và bổ ích nhất trong suốt những năm

em ngồi trên ghế nhà trường và giảng đường đại học, cho em một hành trang tri thức vững chắc vào đời để thực hiện những ước mơ, những hoài bão mà em đang ấp ủ

Em xin chân thành cảm ơn các thầy các cô cùng ban giám hiệu nhà trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất từ điều kiện học tập, trang thiết bị máy móc hiện đại để em có thể làm việc và thực hiện đề tài tốt nghiệp của em đạt kết quả tốt nhất Và đặc biệt là em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Hoài Hương: cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo hết mình, giúp đỡ tận tình em trong suốt thời gian dài làm đồ án để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với kết quả tốt nhất

Lời cuối cùng, cho em gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn của em, những người luôn động viên, luôn sát cánh bên em và giúp đỡ em hết mình để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp với kết quả tốt nhất Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 21 tháng 7 năm 2012

Sinh viên thực hiện

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AOB: Ammonia-Oxidizing Bacteria

cBOD: carbonaceous BOD

CBTS: Chế biến thủy sản

DO: Dissolved Oxygen

ĐC: Đối chứng

MLVSS: Mixed liquor volatile suspended solids

NOB: Nitrite-Oxidizing Bacteria

RAS: Return Activated Sludge

TN: Thí nghiệm

TS4: Thủy sản 4

W1: Winogradsky 1

W2: Winogradsky 2

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các giống của vi khuẩn nitrate hóa 17

Bảng 1.2 Sinh lý học cơ bản và những đặc trưng về cấu trúc của Nitrosomonas và Nitrobacter 18

Bảng 1.3 Sự tăng về kích thước quần thể của Nitrosomonas và Nitrobacter sau 72 giờ 13

Bảng 1.4 Nồng độ DO và quá trình nitrate hóa đạt được 23

Bảng 1.5 pH và quá trình nitrate hóa 24

Bảng 1.6 Nhiệt độ và quá trình nitrate hóa 25

Bảng 1.7 Những dạng của sự ức chế và độc chất 27

Bảng 2.1 Cường độ màu của NH4+ - NO2- & NO3- với thuốc thử tương ứng trong phản ứng định tính 38

Bảng 2.2 Thể tích mẫu còn lại của 10 bình AOB nuôi cấy sau khi đã lấy mẫu định lượng.41 Bảng 2.3 Kết quả OD của 6 chủng vi khuẩn sau 48 giờ nuôi lắc và thể tích huyền phù tế bào cần hút cho thí nghiệm khảo sát 42

Bảng 2.4 Kết quả OD của 3 chủng vi khuẩn khảo sát sau 48 giờ tăng sinh và thể tích huyền phù tế bào cần hút cho thí nghiệm 44

Bảng 3.1 Thử nghiệm định tính mẫu tăng sinh AOB trong môi trường W1 từ nước thải TS4 48

Bảng 3.2 Đặc điểm hình thái của 4 chủng vi khuẩn phân lập được trên W1 49

Bảng 3.3 Hàm lượng NH4+ - NO2- & NO3- qua “Thử nghiệm định tính” 10 bình mẫu nuôi cấy AOB 51

Bảng 3.4 Hàm lượng NH4+ - NO2- & NO3- trong 10 bình mẫu AOB và hiệu quả chuyển hóa cơ chất 53

Bảng 3.5 Kết quả định tính 10 bình mẫu AOB tiếp tục được tăng sinh trong vòng 13 ngày (sau khi đã được thay môi trường AOB mới) 56

Bảng 3.6 Tổng kết các chủng vi khuẩn nitrate hóa phân lập được trên môi trường W2 58

Bảng 3.7 Hiệu quả chuyển hóa nitrite và nitrate hóa sau 6 ngày tăng sinh 61

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Hiện tượng cá chết hàng loạt trên sông do nhiễm độc 08

Hình 1.2 pH và sự chuyển đổi của NH3 và ion NH4+ 09

Hình 1.3 Hiện tượng tảo nở hoa 10

Hình 1.4 Hội chứng da xanh ở trẻ em 10

Hình 1.5 Chu trình nitơ trong nước thải 11

Hình 1.6 Quy trình phân lập tuyển chọn, cải biến các VSV nguồn gốc tự nhiên để sản xuất chế phẩm sinh học xử lý ô nhiễm 28

Hình 2.1 Phương trình đường chuẩn NH4+……… 42

Hình 2.2 Phương trình đường chuẩn NO2-……… …42

Hình 2.3 Phương trình đường chuẩn NO3 43

Hình 3.1 Nồng độ các dạng nitơ NH4+ - NO2- & NO3- trong 11 bình tăng sinh AOB 54

Hình 3.2 Hiệu quả xử lý N – Amoni và hiệu quả nitrate hóa của các quần thể vi sinh vật trong 10 bình tăng sinh AOB 54

Hình 3.3 Các mẫu vi khuẩn phân lập trên thạch W2: a) Mẫu 1, b) Mẫu 2, c) Mẫu 3, d) Mẫu 5, e) Mẫu 7, f) Mẫu MV1 59

Hình 3.4 Biến thiên N – nitrite trong môi trường W2 khi cấy vi khuẩn phân lập từ nước thải CBTS 60

Hình 3.5 Nồng độ N – nitrate (mg/L) sinh ra trong môi trường W2 khi cấy các chủng phân lập 60

Hình 3.6 Biểu đồ thể hiện khả năng chuyển hóa N – NO2- của 3 mẫu trong suốt thời gian khảo sát 62

Hình 3.7 Biến đổi nồng độ N – nitrate tạo thành theo thời gian khảo sát các mẫu phân lập 62

Hình 3.8 Biến đổi hiệu quả chuyển hóa nitrite và nitrate hóa theo thời gian của các mẫu phân lập 63

Sơ đồ 2.1 Sơ đồ tăng sinh, phân lập và khảo sát hoạt lực của vi khuẩn AOB và NOB có nguồn gốc từ nước thải CBTS 46

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ VÀ BIỂU ĐỒ v

LỜI MỞ ĐẦU vi

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Tình hình nghiên cứu 2

2.1  Trên thế giới   2 

2.2  Tại Việt Nam   2 

3 Mục đích nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Giới thiệu về những hợp chất có bản chất nitơ (Nitrogenous Compounds) 5

1.1.1 Amino acids   5 

1.1.2 Proteins   6 

1.1.3 Urea   6 

1.2 Những ảnh hưởng của những chất thải có bản chất nitơ đến môi trường sống và nước thải 7

1.2.1 Sự cạn kiệt oxi hòa tan (DO)   7 

1.2.2 Độc tính (Toxicity)   7 

1.2.3 Sự thiếu oxi trong nước (Eutrophication)   9 

1.2.4 Sự làm mất khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia)   10 

1.3 Chu trình nitơ trong nước thải (The Wastewater Nitrogen Cycle) 11

1.4 Giới thiệu về quá trình nitrate hóa trong môi trường (Introduction to Nitrification) 14

1.5 Những vi khuẩn oxi hóa nitơ hay vi khuẩn nitrate hóa (Nitrifying Bacteria) 15

1.6 Những sinh vật chỉ thị hay những chất chỉ thị cho quá trình Nitrate hóa (Indicators of Nitrification) 21

1.7 Những yếu tố hay điều kiện môi trường ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa và

quá trình nitrate hóa 22

1.7.1 Sự tích lũy NO 2   22 

1.7.2 Oxi hòa tan (DO)   22 

1.7.3 Tính kiềm và pH   23 

1.7.4 Nhiệt độ (Temperature)   24 

1.7.5 Sự ức chế và độc tính (Inhibition and Toxicity)   25 

1.8 Tăng cường sinh học (Bioaugmentaion) [10] 26

1.8.1 Định nghĩa   26 

1.8.2 Phương pháp tăng cường sinh học   27 

1.9 Các nghiên cứu liên quan đến quá trình phân lập, nuôi cấy các chủng vi khuẩn Nitrate hóa 27

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Thời gian và địa điểm 31

2.2 Vật liệu – Hóa chất – Dụng cụ & thiết bị 31

2.2.1 Vật liệu   31 

2.2.2 Hóa chất   31 

2.2.2.1 Thành phần môi trường phân lập, nuôi cấy 31

2.2.2.2 Các loại hóa chất sử dụng trong thí nghiệm 33

2.2.3 Dụng cụ và thiết bị  33 

2.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 34

2.3.1 Nội dung nghiên cứu chính   34 

2.3.2 Phương pháp thu nhận và vận chuyển mẫu nước thải   34 

2.3.3 Phương pháp phân lập  34 

2.3.4 Phương pháp định tính môi trường nuôi cấy   35 

2.3.5 Phương pháp xác định đặc điểm hình thái vi khuẩn phân lập   37 

2.3.6     Khảo sát khả năng mọc trên môi trường agar hữu cơ đối với 4 chủng nghi ngờ là vi khuẩn nitrite hóa đã phân lập được trên môi trường W1 40

2.3.8 Thử nghiệm tăng sinh khối 10 bình nuôi cấy AOB:   41 

2.3.9 Khảo sát khả năng chuyển hóa của 6 chủng vi khuẩn nitrate hóa đã phân lập

được trên môi trường W2 lỏng   41 

2.3.10 “Khảo sát khả năng chuyển hóa” của 3 chủng vi khuẩn nitrate hóa chọn lọc  trên môi trường giàu vi lượng NOB (1g NaNO 2 /l) 44 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 47

3.1 Kết quả tăng sinh phân lập và khảo sát hoạt lực nitrite hóa của AOB từ nước thải nhà máy chế biến thủy sản (CBTS) 48

3.1.1 Tăng sinh phân lập AOB lần I   48 

3.1.1.1 Kết quả thử nghiệm định tính 48

3.1.1.2 Kết quả phân lập 49

3.1.1.3 Kết quả khảo sát khả năng mọc của 4 chủng vi khuẩn nitrite hóa trên môi trường agar hữu cơ 50

3.1.2 Tăng sinh phân lập AOB lần II   50 

3.1.3 Tăng sinh phân lập AOB lần III   51 

3.1.3.1 Kết quả thử nghiệm định tính 51

3.1.3.2 Kết quả định lượng hàm lượng NH 4 + - NO 2 - & NO 3 - có trong 10 bình nuôi cấy AOB vừa mới phân lập được ở trên 52

3.1.3.3 Kết quả định tính lại 10 bình AOB sau khi thêm môi trường mới vào và tăng sinh tiếp tục trong 13 ngày 55

3.2 Kết quả tăng sinh phân lập và khảo sát hoạt lực nitrate hóa của các chủng NOB có nguồn gốc từ nhà máy chế biến thủy sản (CBTS) 57

3.2.1 Tăng sinh phân lập NOB lần I   57 

3.2.1.1 Kết quả định tính 57

3.2.1.2 Kết quả phân lập 57

3.2.1.3 Khảo sát khả năng chuyển hóa của 6 mẫu vi khuẩn phân lập được trên môi trường lỏng W2 59

3.2.1.4 Khảo sát khả năng chuyển hóa của các quần thể NOB trong thí nghiệm tăng sinh trên môi trường lỏng NOB (1g NaNO 2 /l) 61

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

4.1 Kết luận 66

4.2 Kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 70 PHỤ LỤC BẢNG 92

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

- Việt Nam được mệnh danh là “Rừng vàng - Biển bạc” với sự phong phú và đa dạng

về tài nguyên thiên nhiên Nước ta có chiều dài bờ biển dài hàng ngàn km từ Bắc vào Nam, chính vì vậy mà chúng ta sở hữu được một nguồn tài nguyên biển vô cùng vô tận, đặc biệt nhất là nguồn lợi thủy hải sản vô cùng phong phú Chính vì thế đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến thủy hải sản ở các tỉnh ven biển và ở các thành phố lớn của nước ta

- Ngành công nghiệp chế biến thủy sản ở nước ta đã phát triển không ngừng trong những năm gần đây và đang là ngành mũi nhọn trong việc thúc đẩy phát triển nền kinh tế của nước nhà, mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế cho đất nước, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người dân … Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực ấy, thì còn rất nhiều công ty, nhà máy xí nghiệp chế biến thủy hải sản ở nước ta chưa có đầu tư và vận hành hệ thống xử

lý nước thải; nước thải chế biến thủy sản được thải với lượng lớn ra ngoài môi trường, gây

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là môi trường nước

- Nước thải chế biến thủy sản (nước thải giết mổ và rửa thủy sản) chứa hàm lượng hữu cơ rất cao, đặc biệt là các chất hữu cơ có chứa nitơ, khi chúng được thải ra ngoài môi trường sẽ gây ô nhiễm cho chủ yếu là các nguồn nước mặt như ao, hồ, sông, suối… và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Chính vì vậy để khắc phục tình trạng ô nhiễm này

đã có nhiều biện pháp xử lý khác nhau nhằm hạn chế và giảm bớt hàm lượng chất thải hữu

cơ có chứa nitơ trong hệ thống xử lý nước thải trước khi nước được thải ra ngoài Và phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là xử lý bằng phương pháp sinh học để xử lý nước thải chế biến thủy sản (phù hợp với tính chất của nước thải chế biến thủy sản là giàu chất hữu cơ) với việc bổ sung vi sinh vật được phân lập nuôi cấy từ bên ngoài vào hệ thống

xử lý nước thải nhằm tăng cường hiệu quả xử lý trước khi nước được thải ra ngoài Dựa

vào điểm này, chúng tôi đã đi đến quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu khả năng tăng sinh

phân lập và đánh giá hoạt lực của vi khuẩn AOB và NOB có nguồn gốc từ nước thải CBTS” với mục đích là tìm hiểu khả năng tăng sinh phân lập các chủng vi khuẩn nitrate

hóa có khả năng xử lý nitơ từ nguồn nước thải chế biến thủy sản để có thể ứng dụng tạo ra các chế phẩm sinh học để bổ sung vào hệ thống xử lý nước thải giúp tăng hiệu quả xử lý nước thải cũng như loại bỏ hoàn toàn các chất thải có bản chất nitơ ra khỏi nước thải trước khi được thải ra ngoài môi trường

2 Tình hình nghiên cứu:

- Sự phân lập vi khuẩn nitrate hóa trong môi trường nuôi cấy thuần khiết đã được

thực hiện thành công đầu tiên bởi Winogradsky (1890) Sự thành công này của ông đã

được biết đến vài năm trước khi quá trình nitrate hóa được tìm ra là do những sinh vật sống

thực hiện (Schloesing & Muntz, 1877) và sự cố gắng của Frankland cùng các cộng sự

(1890) để phân lập những sinh vật ấy bằng những phương pháp vi khuẩn học thường dùng

đã gặp thất bại

- Năm 1950, bằng phương pháp cải tiến từ phương pháp của Winogradsky, Jane

Meiklejohn đã thành công trong việc phân lập chủng Nitrosomonas europaea từ sự nuôi

cấy thuần khiết Và cũng trong nghiên cứu này, bà cũng đã tìm ra được môi trường thích hợp (có bổ sung thành phần vi lượng cần thiết) để duy trì hoạt tính của các chủng vi khuẩn nitrate hóa (qua nhiều lần cấy chuyển môi trường để tăng sinh mà không bị mất hoạt tính như ban đầu bà đã vấp phải khi mới bắt đầu nghiên cứu) [11]

- Năm 1960, Watson và cộng sự đã mở ra một kỉ nguyên mới trong việc phân lập và

nuôi cấy loại vi khuẩn này, họ đã phát hiện ra và đặt tên cho hơn 16 chủng vi khuẩn oxi hóa NH3 khác

- Năm 1968, S.Soriano và N.Walker đã thành công trong việc phân lập và tinh sạch được Nitrosomonas và Nitrosocystis spp bằng việc sử dụng môi trường agar tinh chế và

một phương pháp thu nhận những tập đoàn với những pipet mao quản thủy tinh được hoạt

động bởi máy vi thao tác đơn trước đây đã được mô tả bởi Soriano (1935) [20]

- Trần Liên Hà, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Thị Thanh (2007) đã phân lập được 4 chủng vi khuẩn nitrate hóa ứng dụng vào xử lý nước hồ bị ô nhiễm [1]

- Hoàng Phương Hòa, Trần Văn Nhị, Phạm Việt Cường, Nguyễn Thị Kim Cúc (2008) đã phân lập được 6 chủng vi khuẩn nitrate hóa từ nước lợ nuôi tôm và ứng dụng xử

lý nitơ trong ao nước nuôi tôm [2]

3 Mục đích nghiên cứu:

- Tìm hiểu khả năng tăng sinh phân lập và đánh giá hoạt lực của vi khuẩn AOB và NOB có nguồn gốc từ nước thải CBTS

4 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm hiểu khả năng tăng sinh, phân lập các chủng vi khuẩn AOB và NOB có nguồn gốc từ nước thải CBTS

- Đánh giá hoạt lực của các chủng vi khuẩn AOB và NOB phân lập được trên môi trường nuôi cấy tương ứng của chúng

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu nhận và bảo quản mẫu nước thải

- Phương pháp phân lập vi khuẩn nitrate hóa

- Phương pháp thử nghiệm định tính

- Phương pháp xác định đặc điểm hình thái vi khuẩn phân lập

- Phương pháp định lượng NH4+ - NO2- và NO3- trong môi trường nuôi cấy

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu về những hợp chất có bản chất nitơ (Nitrogenous Compounds):

- Sự đa dạng hóa của những hợp chất có thể rất khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc

xả thải bao gồm cả những chất thải có bản chất nitơ Ví dụ về những hợp chất có bản chất nitơ đã được tìm thấy trong nước thải công nghiệp bao gồm: analine (CH3CHNH2COOH), chất ức chế sự ăn mòn, chất thải của các sản phẩm từ sữa và chất thải từ lò mổ…

những chất dùng làm thuốc Nitrite: được dùng làm chất ức chế ăn mòn trong hệ thống nước công nghiệp Những chất thải từ sữa: bao gồm những protein có chứa nitơ, kể cả

casein và nhiều protein hiện diện trong thịt và máu từ chất thải lò mổ hay nhà máy chế biến thủy sản

- Nước thải trong nhà bao gồm những hợp chất nitơ hữu cơ và NH4+ Nitơ trong nước thải trong nhà bắt nguồn từ sự chuyển hóa protein trong cơ thể con người Trong nước thải trong nhà mới được thải ra, khoảng chừng 60% nitơ là ở trạng thái hữu cơ, như

là những chất thải có chứa protein và 40% nitơ là dưới dạng vô cơ, như NH4+ Những hợp chất hữu cơ như: amino acid, protein, urea có nguồn gốc từ những hợp chất nitơ hữu cơ từ nước thải trong nhà, trong khi đó NH4+ là hợp chất có nguồn gốc vô cơ từ nước thải trong nhà

- Nếu không thải ra bằng những ngành nghề sản xuất kinh doanh riêng biệt, thì NO3

-và NO2- không được tìm thấy trong hệ thống cống rãnh thành phố Những điều kiện bên trong hệ thống cống rãnh không thuận lợi cho sự oxi hóa NH4+ hay NO2-; tức là quá trình nitrate hóa không xảy ra

1.1.1 Amino acids:

(-COOH) và nhóm amino (-NH2) Nhóm amino trong tất cả các amino acid luôn luôn được liên kết với carbon kế cận nhóm carboxylic acid Amino acid là những hợp chất khung của cấu trúc protein, chúng tạo thành các phân tử protein Trong thời gian suy giảm của amino acid, nhóm amino được phóng thích

- Sự khử nhóm NH2 ra khỏi một hợp chất hữu cơ là phản ứng sinh hóa chịu trách nhiệm về sự giảm đi của nhóm amino Sự khử nhóm NH2 khỏi một hợp chất hữu cơ của amino acid có thể xảy ra trong hệ thống cống rãnh và hệ thống xử lý nước thải (cụ thể là trong bể aerotank) Sự khử nhóm NH2 có thể xảy ra trong sự hiện diện hay không có oxi hòa tan Những amino acid có cấu trúc đơn giản có thể được phân hủy trong hệ thống cống rãnh Còn những amino acid có cấu trúc phức tạp hơn có thể được phân hủy trong hệ thống

xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính)

- Khi mà nhóm amino (-NH2) được phóng thích vào nước thải, nó được biến đổi nhanh chóng thành NH4+ Sự biến đổi này xảy ra trong nước thải do có sự hiện diện của ion H+:

NH2 2H+ Æ NH4+

1.1.2 Proteins:

quan trọng của tế bào sinh vật; chúng chứa những amino acid Protein là những chất keo và

có cấu trúc rất phức tạp Vì chúng là những chất keo tự nhiên và có cấu trúc phức tạp nên

sự phân hủy protein là rất chậm và sự khử NH2 thường xảy ra trong hệ thống xử lý nước thải (bể bùn hoạt tính) chứa đựng nồng độ chất rắn cao và sự thông khí kéo dài

- Protein phải được hút bám trên bề mặt của vi khuẩn và được hòa tan thành những hợp chất đơn giản, chúng có thể đi vào những tế bào vi khuẩn để mà được phân hủy Khi protein phân hủy, thì những amino acid được giải phóng Sự khử nhóm amino (-NH2) của các amino acid đưa đến sự tạo ra NH4+

- Những protein hình thành nên nhiều tế bào chất bên trong tế bào vi khuẩn và cung cấp như là phần hợp thành cấu trúc bên trong vách tế bào vi khuẩn Những enzyme của vi khuẩn vẫn có protein trong thành phần cấu tạo Khi mà vi khuẩn chết đi trong một hệ thống

xử lý nước thải, những chất hợp thành tế bào này được giải phóng và đáp ứng như là nguồn thức ăn cho sự sống của những vi khuẩn khác Khi mà những chất hợp thành tế bào bị phân hủy, NH4+ được tạo ra trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính)

1.1.3 Urea:

nước tiểu và chứa tới 46.6% nitơ Urê là một hợp chất nitơ hữu cơ đơn giản nhất, nó chứa 2 nhóm amino Trong hệ thống cống rãnh urê bị thủy phân tạo thành NH4+ Thủy phân là sự phân cắt hay một phân tử với sự cộng thêm nước thông qua hoạt động của vi khuẩn Vi khuẩn dùng enzyme urease để phân cắt urê:

H2NCONH2 2H2O Æ 2NH4+ CO2

- Trong hệ thống cống rãnh nhiều hợp chất nitơ hữu cơ nhanh chóng được thủy phân

và khử nhóm NH2 Do sự thủy phân và sự khử nhóm NH2 trong hệ thống cống rãnh, nồng

độ NH4+ đầu vào mà hệ thống xử lý nước thải nhận được từ nước thải trong nhà thường là

15 – 30mg/l Những ion NH4+ được phóng thích thêm ra trong hệ thống xử lý nước thải (bể bùn hoạt tính) từ những amino acid có cấu trúc phức tạp, protein và những chất thải có bản chất nitơ khác nữa

1.2 Những ảnh hưởng của những chất thải có bản chất nitơ đến môi trường sống

nitơ ấy bao gồm: sự cạn kiệt oxi hòa tan (DO), độc tính (Toxicity), sự thiếu oxi trong nước

(Eutrophications) và sự làm mất khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia)

- Để giảm bớt những ảnh hưởng bất lợi của những chất thải có bản chất nitơ cho nguồn nước tiếp nhận, một hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm bảo yêu cầu xử lý và giảm lượng chất thải có bản chất nitơ xuống dưới hoặc bằng mức cho phép của tiêu chuẩn xả thải trong nước thải đầu ra của hệ thống xử lý nước thải ấy Hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm bảo quá trình oxi hóa nitơ (nitrify) và quá trình khử nitơ (denitrify) những chất thải có bản chất nitơ xảy ra hoàn tất trong cả quá trình hoạt động của hệ thống Yêu cầu của quá trình nitrate hóa (nitrification) thường được đưa ra như giới hạn thải ra NH3 và yêu cầu của quá trình phản nitrate (denitrification) thường được đưa ra như giới hạn Tổng nitơ hay Tổng nitơ Kjeldahl (TKN)

1.2.1 Sự cạn kiệt oxi hòa tan (DO):

- Việc thải ra những chất thải có bản chất nitơ vào nguồn nước nhận là kết quả của

sự cạn kiệt nguồn oxi hòa tan trong nguồn nước nhận ấy Sự cạn kiệt xảy ra thông qua sự tiêu thụ oxi hòa tan bởi hoạt động của vi khuẩn

- Đầu tiên, NH4+ được oxi hóa thành NO2- và NO2- được oxi hóa thành NO3- bên trong nguồn nước tiếp nhận Quá trình oxi hóa mỗi ion xảy ra bằng oxi hòa tan được di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn và gia tăng thêm NH4+ và NO2- Tiếp theo,

NH4+, NO2- và NO3- đáp ứng như là nguồn nitơ dinh dưỡng cho sự tăng trưởng của những thực vật sống ở nước, chủ yếu là những loài tảo Khi những thực vật ấy chết đi, oxi hòa tan

sẽ được di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn để phân hủy những thực vật đã chết ấy

-1.2.2 Độc tính (Toxicity):

Hình 1.1: Hiện tượng cá chết hàng loạt trên sông do nhiễm độc.[23]

- Ba ion có bản chất nitơ trên (NH4+ - NO2- & NO3-) có thể là độc chất cho sự sống của những loài thủy sinh vật, đặc biệt nhất là cá Những ion NH4+ và NO2- là vô cùng độc

Và NO2- là độc nhất trong 3 loại ion có bản chất nitơ

- Mặc dù NH4+ là nguồn dinh dưỡng nitơ ưa thích nhất cho phần lớn sinh vật sống,

NH4+ được biến đổi thành NH3 với sự tăng lên của pH Nó là NH3 khi ở pH cao và độc cho

sự sống của thủy sinh vật

Hình 1.2: pH và sự chuyển đổi của NH 3 và ion NH 4 + [16]

1.2.3 Sự thiếu oxi trong nước (Eutrophication):

- Trong khi phosphate (PO42-) là nguồn gốc chính yếu của sự thiếu oxi trong nước thì những chất thải có bản chất nitơ cũng góp phần quan trọng cho vấn đề ô nhiễm nước này

- Sự thiếu oxi trong nước nói đến sự thải ra những chất dinh dưỡng của thực vật (chủ yếu là: phốt pho và nitơ) vào nước sạch (như: hồ và ao) Sự hiện diện những chất dinh dưỡng này kích thích sự tăng trưởng nhanh chóng hay sự ra hoa của thực vật thủy sinh, bao gồm cả tảo Khi những thực vật thủy sinh này già và chết đi, xác của chúng sẽ làm cho nguồn nước thiếu oxi do quá trình hoạt động phân hủy hiếu khí của những vi sinh vật diễn

ra Sự thiếu oxi trong nước dẫn đến sự lão hóa nhanh chóng của nguồn nước ngọt khi chúng mất khá nhiều oxi cho sự phân hủy này Và sự tích lũy xác những thực vật thủy sinh ngày càng nhiều dẫn đến khả năng phân hủy của nguồn nước bị giảm đi đến mức chúng

không thể phân hủy được nữa, không tự làm sạch được nữa thì dẫn đến nguồn nước ấy bị ô nhiễm

Hình 1.3: Hiện tượng tảo nở hoa.[23]

1.2.4 Sự làm mất khả năng vận hành oxi trong máu (Methemoglobinemia):

Hình1.4: Hội chứng da xanh ở trẻ em.[23]

- Từ “Methemoglobinemia” hay “Hội chứng da xanh ở trẻ em” nói đến một căn

bệnh của những đứa trẻ còn nhỏ (dưới 6 tháng tuổi) ăn uống phải nước ngầm đã nhiễm bẩn

NO3- Khi một đứa bé ăn uống những thứ được làm ra từ nước ngầm đã bị nhiễm bẩn NO3

-thì những ion này dễ dàng được biến đổi thành NO2- trong đường tiêu hóa của đứa bé Ion

NO2- này xâm nhập vào hệ tuần hoàn của đứa trẻ và nhanh chóng liên kết với Fe trong nhân của Hemoglobin hay những Tế bào hồng cầu

- Sự hiện diện của NO2- trong nhân ngăn cản Hemoglobin thu được oxi khi nó đi qua phổi của đứa trẻ Sự thiếu oxi trong cơ thể của đứa trẻ dẫn đến da của đứa trẻ trở nên xanh

xao, vì thế mới có thuật ngữ “Blue baby syndrome” Nếu thiếu oxi trong não của đứa trẻ,

chứng liệt hay chết có thể xuất hiện

nước dùng để uống được thu từ nước ngầm Methemoglobinemia không có dấu hiệu để

cảnh báo và mặc dù nó có thể xuất hiện với những người trưởng thành; nó có thể độc hơn nhiều với những đứa trẻ sơ sinh bởi vì pH trong cơ thể chúng thấp hơn và trọng lượng cơ thể chúng thấp hơn khi so sánh với những người trưởng thành Và khi ion NO3- ở nồng độ cao cũng có thể làm tăng nguy cơ gây ung thư dạ dày ở mọi lứa tuổi

1.3 Chu trình nitơ trong nước thải (The Wastewater Nitrogen Cycle):

Hình 1.5: Chu trình nitơ trong nước thải.[16]

- Có nhiều hợp chất có bản chất nitơ tồn tại trong môi trường sống và trong hệ thống

xử lý nước thải Phần lớn nitơ tìm thấy trong môi trường sống tồn tại dưới dạng nitơ phân

tử (N2) trong bầu khí quyển chúng ta (chúng chiếm tới 76% trong bầu khí quyển so với các khí khác)

- Mặc dù sự cấu thành không nhiều của nitơ trong sinh khối so với carbon hay oxi nhưng nitơ là một yếu tố thiết yếu của tất cả sự sống sinh vật Nó được kết hợp chặt chẽ

trong nguyên liệu tế bào và được dùng cho sự tăng trưởng, tạo ra enzyme và thông tin về di truyền học Tuy nhiên, nitơ phân tử được cấu tạo từ 2 nguyên tử nitơ nối với nhau bằng 3 dây nối N N, nó rất khó để hầu hết sinh vật có thể bẻ gãy May thay, nitơ phân tử được tạo ra sẵn có cho sự sống sinh vật khi mà liên kết 3 bị bẻ gãy bởi một nhóm vi khuẩn duy nhất và được cố định lại hay biến đổi thành NH4+

- Những vi khuẩn biến đổi nitơ phân tử thành NH4+ là những vi khuẩn cố định nitơ Những vi khuẩn này có thể sống tự do trong đất xung quanh rễ của thực vật hay có thể tăng trưởng cộng sinh trong rễ của những cây họ đậu

- Sự cố định nitơ tức là sự chuyển đổi nitơ phân tử thành NH4+, được hoàn thành bởi enzyme nitrogenase chỉ được tìm thấy trong những vi khuẩn cố định nitơ Trước khi sự sử dụng phân bón nitơ lan rộng, thực vật tăng trưởng nốt sần hay những cây họ đậu cung cấp

nitơ cho đất Ví dụ những cây họ đậu bao gồm: Cỏ linh lăng, Cỏ ba lá và những cây Đậu

nành

- Một vài loài tảo cũng có thể sử dụng nitơ phân tử để sản xuất ra amino acid và protein Tảo lấy nitơ phân tử từ không khí và đồng hóa chúng thành những phân tử hữu cơ Cuối cùng, những phân tử hữu cơ này với nitơ liên kết thành cấu trúc của chúng và được tiêu thụ trong suốt chiều dài của chuỗi thức ăn; như là tảo được tiêu thụ bởi những dạng sống cao hơn

- Sự di chuyển của nitơ và sự thay đổi chính nó trong các trạng thái oxi hóa từ không khí sang sinh vật sống đến hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) và sự trở lại của nó vào không khí là chu trình nitơ trong nước thải Chu trình này liên kết với những hợp chất có bản chất nitơ then chốt liên tiếp như: nitơ phân tử (N2), amino acid, protein, urea, NH4+, NH3, NO2- và NO3- Trong đó, amino acid và protein là những dạng hữu cơ của nitơ; còn nitơ phân tử (N2), NH4+, NH3, NO2- và NO3- là những dạng vô cơ của nitơ

- Sự sản sinh ra NO2- và NO3- trong hệ thống cống rãnh là hiếm thấy Những điều kiện trong hệ thống cống rãnh là không phù hợp cho sự tạo ra hay quá trình nitrate hóa của những ion này Những điều kiện bất lợi trong hệ thống cống rãnh ngăn cản quá trình nitrate hóa bao gồm: sự thiếu oxi thích hợp, quần thể vi khuẩn nitrate hóa nhỏ và thời gian nước được giữ lại ngắn Tuy nhiên, lượng rất lớn NO2- và NO3- có thể được tìm thấy trong hệ thống cống rãnh nếu chúng được thải ra từ nguồn nước thải công nghiệp có những ion này, như là nước thải nhà máy thép

- Những amino acid và protein trong mô thực vật, trong rễ, trong hạt và từ thịt vật nuôi được thải trực tiếp vào hệ thống cống rãnh (rác vứt bỏ đi, nước thải chế biến thực

trong hệ thống cống rãnh khử nhóm amino (-NH2) ra khỏi các amino acid và protein Sự khử nhóm NH2 được hoàn thành với enzyme deaminase và đưa đến kết quả là tạo ra NH4+

Sự tạo thành NH4+ còn được biết đến như là quá trình amôn hóa Sự khử nhóm NH2 của amino acid phenylalanine được cho thấy:

và những chất thải từ chăn nuôi Khi mà được thủy phân bởi enzyme urease của vi khuẩn,

NH4+ được giải phóng Enzyme urease được tìm thấy trong nhiều sinh vật dị dưỡng hóa

năng hữu cơ liên kết với phân bao gồm: Citrobacter Sự thủy phân urea thành NH3 và CO2

bởi hoạt động của vi khuẩn là rất nhanh chóng Ở pH của hệ thống cống rãnh NH3 nhanh chóng được biến đổi thành NH4+

NH2COHN2 H2O –CitrobacterÆ 2NH3 CO2

- Những amino acid và những protein không được phân hủy trong hệ thống cống rãnh có thể được phân hủy trong hệ thống xử lý nước thải (bể aerotank) Sự phân hủy những amino acid và protein trong bể aerotank cũng đưa đến kết quả sản sinh ra NH4+

- Những ion NH4+ trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có vài nhiệm vụ Chúng có thể được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ bởi những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ và vi khuẩn nitrate hóa Chúng có thể được giải phóng ra ngoài không khí như NH3 ở pH cao và dưới những điều kiện hoạt động thích hợp, Nitrosomonas

có thể oxi hóa chúng thành NO2- Nếu những ion NH4+ không được sử dụng như nguồn dinh dưỡng, hóa thành khí hay oxi hóa, chúng được chảy vào trong hệ thống nhánh của bể aerotank

- Dưới nhiệt độ lạnh hay điều kiện phương pháp hệ thống có giới hạn, ion NO2- có thể tích lũy lại trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) NO2- cũng có một vài nhiệm vụ trong hệ thống bùn hoạt tính Chúng có thể bị oxi hóa hóa học thành NO3-

nếu Cl2 được dùng để kiểm soát sự tăng trưởng không mong muốn của những sinh vật dạng sợi NO2- còn có thể được oxi hóa sinh học bởi Nitrobacter dưới những điều kiện

hoạt động thuận lợi Nếu NH4+ và NO2- không có sẵn trong bể aerotank, NO3- được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ bởi những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ Nếu những ion NO2- không bị oxi hóa hay được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ, chúng được chảy vào hệ thống nhánh của bể aerotank Trong bể lắng 2, NO2- có thể được khử thành các khí

N2O và N2

- NO3- trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có một vài nhiệm vụ Trong sự vắng mặt của NH4+ trong bể aerotank, NO3- có thể được dùng như nguồn dinh dưỡng nitơ Nếu NO3- không được dùng như một nguồn dinh dưỡng nitơ thì chúng được chảy vào hệ thống nhánh của bể aerotank Trong bể lắng 2, NO3- có thể được khử nitrate

- Những ion NO3- là quan trọng chủ yếu trong chu trình nitơ nước thải Chúng là sản phẩm của quá trình nitrate hóa, cơ chất của quá trình phản nitrate hóa và là nguồn dinh dưỡng nitơ khi mà NH4+ không có sẵn NO3- được sử dụng như nguồn dinh dưỡng nitơ thông qua một hệ thống sinh học được biết như sự đồng hóa nitrate Những ion NO3- rất dồi dào, nguồn nitơ vô cơ trong nguồn nước

- Sự phản nitrate có thể xảy ra trong lớp bùn của bể lắng 2 (trong Hệ thống xử lý nước thải) khi mà điều kiện kỵ khí xảy ra trong lớp bùn Ở đây vi khuẩn kỵ khí tùy nghi sử dụng NO2- và NO3- để phân hủy cBOD hòa tan (carbonaceous BOD) Sự phân hủy này được liên kết với sự giải phóng phân tử nitơ

- Những ion NH4+ có thể được loại bỏ bởi hoạt động trộn hay sự hóa khí vào không khí như NH3 Tuy nhiên lượng NH3 mất đi qua sự hóa khí là rất nhỏ, tức là ít hơn 10%

- Khi mà những chất thải nitơ hữu cơ không còn có sẵn nữa để giải phóng ra NH4+, lượng NH4+ giảm Sự giảm NH4+ xảy ra vì chúng được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ

và bị oxi hóa thành NO2- và NO3- Nếu quá trình nitrate hóa bắt đầu một cách đúng đắn, không có sự tích lũy của NO2- xảy ra Một vài ion NO3- có thể được loại bỏ đi như là nguồn dinh dưỡng nitơ khi mà NH4+ bị cạn kiệt Nếu quá trình phản nitrate xảy ra thì lượng NO3- sẽ bị giảm rất lớn, có lẽ được loại trừ

1.4 Giới thiệu về quá trình nitrate hóa trong môi trường (Introduction to Nitrification):

- Quá trình nitrate hóa sinh học là sự biến đổi hay oxi hóa NH4+ thành NO2- và sau

đó thành NO3- Trong thời gian oxi hóa NH4+ và NO2-, oxi được cộng thêm vào những ion này bởi một nhóm sinh vật duy nhất, những vi khuẩn nitrate hóa Quá trình nitrate hóa xảy

ra trong tự nhiên và trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) Quá trình nitrate hóa trong đất là đặc biệt quan trọng trong tự nhiên, bởi vì nitơ được hấp thu bởi thực vật như là nguồn dinh dưỡng dưới dạng NO3- Quá trình nitrate hóa trong nước có liên quan đến xử lý nước thải, nhất là đảm bảo yêu cầu xả thải theo đúng quy chuẩn cho phép

- NH4+ và NH3 là những dạng của hợp chất nitơ, chúng được oxi hóa trong suốt quá trình nitrate hóa Số lượng của NH4+ và NH3 trong bể aerotank của hệ thống xử lý nước thải được quyết định bởi pH và nhiệt độ trong hệ thống

- Sự oxi hóa NH4+ và NO2- được hoàn thành thông qua sự thêm vào oxi hòa tan bên trong những tế bào vi khuẩn Bởi vì quá trình nitrate hóa hay sự thêm vào oxi của những phản ứng hóa sinh xảy ra bên trong những tế bào sinh học, quá trình nitrate hóa xảy ra thông qua những phản ứng hóa sinh

- Những ion NH4+ được tạo ra trong nước thải từ sự thủy phân urea và sự phân hủy những hợp chất nitơ hữu cơ Sự thủy phân và sự phân hủy những hợp chất nitơ hữu cơ đưa đến kết quả là sự giải phóng ra những nhóm amino (-NH2) và sự tạo thành NH4+

- Mặc dù có nhiều sinh vật có khả năng oxi hóa NH4+ và NO2-, nhưng những sinh vật ban đầu chịu trách nhiệu chính trước nhất cho quá trình nitrate hóa trong hệ thống xử lý

nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) đó là 2 giống vi khuẩn nitrate hóa, Nitrosomonas và

Nitrobacter Những giống này sở hữu những enzyme và cấu trúc tế bào đặc biệt cho phép

chúng hoàn thành quá trình nitrate hóa quan trọng này

- Tốc độ của quá trình nitrate hóa đạt được bởi những vi khuẩn nitrate hóa thường là 1.000 – 10.000 lần lớn hơn tốc độ của quá trình nitrate hóa bằng những sinh vật khác Bên

cạnh những vi khuẩn nitrate hóa, có 2 Protozoa chúng hiện diện với số lượng rất lớn trong lúc quá trình nitrate hóa diễn ra nhanh nhất Những Protozoa này là: Epistylis và

Vorticella

- Mặc dù hệ thống bùn hoạt tính được dùng cho quá trình nitrate hóa, nhưng hệ thống này không phải là lý tưởng cho quá trình nitrate hóa Vì kích thước quần thể lớn và sự tăng trưởng nhanh chóng của các sinh vật khác trong bể aerotank so sánh với kích thước quần thể nhỏ và sự tăng trưởng chậm của những vi khuẩn nitrate hóa, kích thước quần thể của những vi khuẩn nitrate hóa được làm giảm đi từ từ, tạo ra khó khăn để đạt được và duy trì quá trình nitrate hóa mong muốn Khoảng chừng 90% đến 97% vi khuẩn trong hệ thống bùn hoạt tính là những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ, còn khoảng chừng 3% đến 10%

là vi khuẩn nitrate hóa

1.5 Những vi khuẩn oxi hóa nitơ hay vi khuẩn nitrate hóa (Nitrifying Bacteria):

- Vi khuẩn nitrate hóa sống rất đa dạng trong môi trường sống của chúng ta bao gồm: nước ngọt, nước có thể uống được, nước thải, nước biển, nước lợ và trong đất

- Mặc dù một vài giống vi khuẩn nitrate hóa có khả năng sử dụng một vài hợp chất hữu cơ để thu carbon, giống chủ yếu của những vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống xử lý

nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính), Nitrosomonas và Nitrobacter, sử dụng CO2 hay carbon vô cơ như là nguồn carbon cho sự tổng hợp nguyên liệu tế bào Mỗi phân tử CO2

đồng hóa thành nguyên liệu tế bào bởi những vi khuẩn nitrate hóa, khoảng chừng 30 phân

tử của NH + hay 100 phân tử của NO - có thể được oxi hóa

- Vì lượng NH4+ và NO2- rất lớn cần để đồng hóa CO2, vi khuẩn nitrate hóa có tốc độ sinh sản rất chậm Thậm chí dưới những điều kiện tốt nhất thì tốc độ sinh sản của vi khuẩn nitrate hóa là rất nhỏ

- Vi khuẩn nitrate hóa thu được năng lượng bởi quá trình oxi hóa những cơ chất vô

cơ, cụ thể là NH4+ và NO2- Ion NO2- là sản phẩm của sự oxi hóa NH4+ bởi Nitrosomonas cung cấp như là cơ chất cho Nitrobacter Nếu NO2- không được thải ra khỏi hệ thống bùn hoạt tính thì NO2- có thể được sản sinh ra trong bể aerotank để mà Nitrobacter dùng làm

cơ chất năng lượng

- Có 2 phản ứng sinh năng lượng xảy ra trong suốt quá trình nitrate hóa Nhiều năng lượng được lấy từ dạng phản ứng đầu tiên, tức là, sự oxi hóa NH4+, hơn là phản ứng thứ 2, tức là sự oxi hóa NO2-:

NH4+ 1.5O2 –NitrosomonasÆ NO2- 2H+ H2O Năng lượng

NO2- 0.5O2 –NitrobacterÆ NO3- Năng lượng

- Phản ứng sinh năng lượng xảy ra trong những tế bào vi khuẩn và cả 2 phản ứng này đều sử dụng oxi phân tử tự do Từ đó sự tích lũy NO2- không xuất hiện Toàn bộ phản ứng nitrate hóa được điều khiển bằng sự oxi hóa NH4+ sang NO3- Toàn bộ phản ứng nitrate hóa

là một sự kết hợp của 2 phản ứng sinh năng lượng trên:

NH4+ 2O2 –Vi khuẩn Nitrate hóaÆ NO3- 2H+ H2O

- Mặc dù NH4+ được dùng như một nguồn năng lượng bởi những vi khuẩn nitrate hóa, không phải tất cả NH4+ có trong tế bào vi khuẩn đều được nitrate hóa Một vài ion

NH4+ được dùng như là nguồn dinh dưỡng nitơ và được đồng hóa thành nguyên liệu tế bào mới (C5H7O2N) Sự tăng trưởng của những tế bào mới trong hệ thống bùn hoạt tính được tạo thành do sự tăng lên của những chất rắn lơ lửng huyền phù trộn lẫn trong nước (MLVSS) (Mixed liquor volatile suspended solids)

Cơ chất năng lượng

(Energy Substrate)

Sản phẩm oxi hóa (Oxidized Product)

Các giống vi khuẩn nitrate hóa (Genera of Nitrifying Bacteria)

Nitrosocystis Nitrosolobus Nitrosomonas Nitrosospira

Nitrococcus Nitrospira

- Những vi khuẩn nitrate hóa không có khả năng gây bệnh, chúng không có trong đường ruột của con người Vì vậy những vi khuẩn nitrate hóa không đi vào hệ thống cống rãnh và hệ thống xử lý nước thải với lượng lớn thông qua nước thải gia đình Vi khuẩn nitrate hóa xuất xứ từ đất và nước

- Những vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter có ở mức độ lớn, nếu

không hoàn toàn, là nguyên nhân của quá trình nitrate hóa trong đất Bởi vì những vi khuẩn nitrate hóa bị tiêu diệt bởi ánh sáng tử ngoại, chúng không được tìm thấy lượng lớn trên bề mặt của đất Tuy nhiên, chúng được tìm thấy với số lượng lớn trực tiếp bên dưới bề mặt của đất nơi ánh sáng cực tím không thể lọt vào được

- Trong hệ thống xử lý nước thải, 2 loài vi khuẩn nitrate hóa chịu trách nhiệm chính cho sự oxi hóa NH4+ và NO2- là Nitrosomonas europeae và Nitrobacter agilis Những

giống vi khuẩn nitrate hóa khác cũng quan trọng không kém trong hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính)

chúng yêu cầu oxi phân tử tự do hay oxi hòa tan nhằm để oxi hóa cơ chất Mặc dù những

vi khuẩn nitrate hóa có thể sinh trưởng phát triển và sinh sản trong sự hiện diện của phần lớn những hợp chất hữu cơ, một vài dạng hợp chất hữu cơ có thể ức chế hoạt động của chúng, tức là, ức chế quá trình nitrate hóa Những hợp chất ức chế đó bao gồm: Cồn và Acid Một vài hợp chất hữu cơ có chứa nhóm amino (-NH2), như là Methylamine (CH2NH2), cũng ức chế hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa

- Với vài ngoại lệ, những vi khuẩn nitrate hóa là những sinh vật tự dưỡng bắt buộc (nghiêm ngặt) Bởi vì chúng là những vi sinh vật tự dưỡng bắt buộc, vài dạng hợp chất hữu

cơ đơn giản còn lại trong bể aerotank có thể ức chế vi khuẩn nitrate hóa, tức là, ức chế quá trình nitrate hóa Vì vậy một quần thể sinh vật tự dưỡng hóa năng hữu cơ lớn và đa dạng hiện diện trong bể aerotank để mà oxi hóa những hợp chất hữu cơ có dạng đơn giản ấy

Bảng 1.2: Sinh lý học cơ bản và những đặc trưng về cấu trúc của Nitrosomonas và

Nitrobacter.[16]

Khoảng nhiệt độ tăng

hóa

0.02 – 0.07 pound sinh khối/g NO2- được oxi

hóa

- Vi khuẩn nitrate hóa có thể tăng trưởng và sinh sản bằng những tế bào riêng biệt hay khối tập hợp nhỏ dính chặt vào nhau trong chất nhờn Trong hệ thống bùn hoạt tính, những vi khuẩn nitrate hóa được tìm thấy hút bám trên bề mặt của những hạt keo và lơ lửng trong bể

- Những vi khuẩn nitrate hóa sinh sản vô tính Nitrosomonas: sinh sản bằng sự tự phân đôi hay sự phân cắt hoàn toàn thành hai phần; trong khi đó, Nitrobacter: sinh sản

bằng cách nảy chồi

- Vì những vi khuẩn nitrate hóa thu được một lượng rất nhỏ năng lượng từ sự oxi hóa

NH4+ và NO2-, sự sinh sản hay thời gian thế hệ là chậm và quần thể nhỏ Kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính là rất nhỏ khi mà so sánh với kích thước quần thể của các sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ

- Sự khác nhau trong kích thước quần thể giữa vi khuẩn nitrate hóa và những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ là do 2 lý do Thứ nhất, trong hầu hết hệ thống bùn hoạt tính thành phố và công nghiệp, nồng độ của chất thải có bản chất carbon vượt qúa giới hạn nồng độ của những chất thải có bản chất nitơ Vì vậy nhiều cơ chất có giá trị để tăng trưởng nhiều vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ Thứ hai, những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ thu được nhiều năng lượng từ sự sinh sản hơn những vi khuẩn nitrate hóa khi chúng oxi hóa những cơ chất tương ứng của chúng Vì vậy những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ có thể sinh sản nhanh hơn nhiều những vi khuẩn nitrate hóa có thể sinh sản

- So sánh thời gian thế hệ của những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ với vi khuẩn nitrate hóa thì vi khuẩn nitrate hóa dài hơn nhiều Thời gian thế hệ của hầu hết những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ trong hệ thống bùn hoạt tính là 15 đến 30 phút Dưới những điều kiện thuận lợi, thời gian thế hệ của những vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính là 48 đến 72 giờ

- Trong quần thể vi khuẩn nitrate hóa cũng có một kích thước quần thể khác biệt giữa

Nitrosomonas và Nitrobacter Kích thước quần thể Nitrosomonas là lớn hơn Nitrobacter

Bởi vì Nitrosomonas thu được nhiều năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ hơn Nitrobacter thu

được từ sự oxi hóa NO2-, Nitrosomonas có thời gian thế hệ ngắn hơn và có thể tăng nhanh chóng về số lượng khi so sánh với Nitrobacter Một kích thước quần thể lớn của

Nitrosomonas hơn Nitrobacter trong hệ thống bùn hoạt tính đáp ứng cho khả năng oxi hóa

NH4+ nhiều hơn khả năng oxi hóa NO2-

- Sự khác nhau trong thời gian thế hệ giữa Nitrosomonas và Nitrobacter ảnh hưởng

trực tiếp đến quá trình nitrate hóa Sự khác nhau ấy là nguyên nhân gây nên sự tích lũy

NO2- trong suốt thời gian những điều kiện hoạt động không thuận lợi trong hệ thống bao gồm: nhiệt độ lạnh, quá trình rửa trôi cơ học, mức oxi hòa tan thấp, độc chất…

- Mặc dù kích thước quần thể cơ bản của vi khuẩn nitrate hóa phụ thuộc vào lượng

cơ chất sẵn có (NH4+ và NO2-), sự tăng trưởng và sinh sản của quần thể bị ảnh hưởng mạnh

bởi vài yếu tố hoạt động bao gồm: oxi hòa tan, tính kiềm và pH, nhiệt độ, chất ức chế, chất độc và phương thức hoạt động của cả hệ thống xử lý nước thải

Bảng 1.3: Sự tăng về kích thước quần thể của Nitrosomonas và Nitrobacter sau 72

- Ví dụ, tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa bị ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt

độ Với sự tăng lên của nhiệt độ, sự tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa tăng nhanh và quá trình dễ dàng kết thúc Vì vậy khi nhiệt độ giảm, tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa giảm và quá trình nitrate hóa được hoàn tất với nhiều khó khăn Vì vậy trong thời gian nhiệt độ thấp, sự tích lũy NO2- có thể xảy ra vì Nitrobacter oxi hóa NO2- chậm hơn nhiều

so với Nitrosomonas oxi hóa NH4+

- Sự hiện diện vi khuẩn nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính có thể được nhận biết bởi sự tạo ra NO2- hay NO3- ở bên trong bể aerotank

- Việc phân lập các chủng vi khuẩn nitrate hóa rất khó thực hiện trên môi trường thạch do thời gian thế hệ kéo dài và chúng không có khả năng cạnh với vi khuẩn dị dưỡng Chính vì vậy, để phân lập được các chủng vi khuẩn nitrate hóa phải dùng silica gel thay cho thạch [5]

1.6 Những sinh vật chỉ thị hay những chất chỉ thị cho quá trình Nitrate hóa (Indicators of Nitrification):

- Hệ thống bùn hoạt tính (của một hệ thống xử lý nước thải) oxi hóa nitơ nếu NO2- và

NO3- được sinh ra trong bể aerotank Dù có nhiều cơ chế khác nhau của sự mất đi và sinh

ra NH4+ trong bể aerotank; do đó, một mình sự giảm nồng độ của NH4+ trong bể aerotank không biểu lộ quá trình nitrate hóa Quá trình nitrate hóa được chứng minh bằng sự sản sinh ra NO2- hay NO3- Tuy nhiên, nếu sự kiểm tra NO2- hay NO3- trong hệ thống không được thực hiện, thì quá trình nitrate hóa có thể được nghi ngờ bởi sự hiện diện của sinh vật chỉ thị sinh học, chất chỉ thị hóa học và những sinh vật báo hiệu tự nhiên khác

- Những sinh vật chỉ thị sinh học của quá trình nitrate hóa bao gồm: sự tăng trưởng

của Tảo và Bèo tấm trong bể lắng 2, sự tăng lên có ý nghĩa của nhu cầu oxi pha trộn trong nước và sự giảm đi có ý nghĩa của mức oxi hòa tan trong hệ thống Tảo và Bèo tấm thu

được chất dinh dưỡng nitơ từ NO3- Vì vậy sự hiện diện của chúng trong bể lắng 2 là một

sự chỉ thị của sự sản sinh ra NO3- hay quá trình nitrate hóa trong bể aerotank

nảy nở nhanh chóng và nổi trên mặt nước Có 3 giống Bèo tấm chúng được tìm thấy trong

hệ thống bùn hoạt tính của hệ thống xử lý nước thải Những giống này là: Lemna,

Spirodella, và Wolffia

- Khi mà quá trình nitrate hóa xảy ra trong bể aerotank, lượng lớn oxi hòa tan được tiêu thụ bởi những vi khuẩn nitrate hóa do chúng oxi hóa NH4+ và NO2- Vì vậy, khi quá trình nitrate hóa xảy ra, sự đòi hỏi có ý nghĩa của sinh khối về oxi hòa tan xuất hiện và mức độ oxi hòa tan trong bể aerotank giảm đi

- Những chất chỉ thị hóa học của quá trình nitrate hóa bao gồm sự tăng lên nhu cầu

Cl2 để khử trùng trong phụ lưu bể lắng 2 Nếu quá trình nitrate hóa không hoàn tất xảy ra

và NO2- tích lũy và NO2- phản ứng nhanh chóng với Cl2, đưa đến kết quả là sự tiêu diệt coliform kém đi trong phụ lưu của bể lắng 2 Sự sản sinh ra NO2- trong bể aerotank đưa đến kết quả là sự phá hủy tính kiềm Sự phản nitrate hóa trong bể lắng 2 (do kết quả nitrate hóa trong bể aerotank) trả lại tính kiềm cho nước thải Sự trả lại tính kiềm đưa đến sự tăng tính kiềm hay pH

- Nếu vài sinh vật chỉ thị sinh học, hóa học hay tự nhiên của quá trình nitrate hóa xảy

ra trong hệ thống bùn hoạt tính chúng không được yêu cầu nitrate hóa, khi đó sự nitrate hóa sẽ bị nghi ngờ Để xác định dạng nitrate hóa đang xảy ra, sự kiểm tra nước trong hệ thống về nồng độ NH4+, NO2- và NO3- sẽ được thực hiện

1.7 Những yếu tố hay điều kiện môi trường ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa

và quá trình nitrate hóa:

- Sự tích lũy NO2- trong hệ thống bùn hoạt tính có thể là sự cố thay đổi theo mùa vì

sự thay đổi nhiệt độ và nồng độ MLVSS Sự tích lũy NO2- thường xảy ra tại thời điểm cuối mùa đông hay ngay từ đầu mùa xuân trong hệ thống bùn hoạt tính

1.7.2 Oxi hòa tan (DO):

- Có nhiều nhu cầu hoạt động được biết ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa hay quá trình nitrate hóa, nồng độ oxi hòa tan là một trong những nhu cầu quan trọng ấy Tuy nhiên nồng độ DO tối ưu nhất để hoàn thành quá trình nitrate hóa là rất thấp, từ 2 – 3 mg/l và không may, nhiều hệ thống bùn hoạt tính được thông khí vượt qúa để hoàn thành quá trình nitrate hóa

- Sự thông khí vượt quá thực tiễn không mang lại lợi nhuận và có thể góp phần làm chia cắt những hạt keo hay làm tăng những bọt khí Để quá trình nitrate hóa có hiệu quả, lượng DO được duy trì trong bể aerotank sẽ được điều chỉnh để phù hợp với nồng độ NH4+

trong phụ lưu nước pha trộn, NO2- và NO3- Ngoài ra, để nồng độ DO trong bể aerotank, xáo trộn đủ phải được duy trì để ngăn cản sự phân tầng của DO Và DO phải thâm nhập vào lõi của những hạt keo

- Bởi vì vi khuẩn nitrate hóa là hiếu khí bắt buộc, chúng chỉ có thể oxi hóa nitơ khi

có sự hiện diện của oxi hòa tan Ở nồng độ DO 0.5 mg/l quá trình nitrate hóa không xảy

ra Những yếu tố chủ yếu cho giới hạn này về lượng của quá trình nitrate hóa là sự thiếu oxi cho sự khuếch tán qua các hạt keo và sự cạnh tranh về oxi bởi những sinh vật khác

- Sự tăng nồng độ oxi cho phép tốt hơn sự thâm nhập DO vào hạt keo và khuyến khích thêm quá trình nitrate hóa Trong khoảng DO từ 0.5 – 1.9mg/l, quá trình nitrate hóa tăng tốc, nhưng nó không có hiệu quả lắm Quá trình nitrate hóa có ý nghĩa được hoàn tất ở nồng độ DO từ 2.0 – 2.9mg/l, trong khi đó quá trình nitrate hóa đạt cao nhất xuất hiện gần với nồng độ DO 3.0mg/l

Bảng1.4: Nồng độ DO và quá trình nitrate hóa đạt được.[16]

Nồng độ DO (mgO 2 /l) Quá trình nitrate hóa đạt được

trình nitrate hóa xuất hiện

yếu kém

ra

- Bởi vì vi khuẩn nitrate hóa phải giảm bớt CO2 cho tăng trưởng tế bào, sinh sản và thu được ít năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ và NO2- Chúng cạnh tranh kém với những vi khuẩn dị dưỡng hóa năng hữu cơ về DO trong bể aerotank Vì vậy mức DO trong bể aerotank sẽ được giám sát một cách cẩn thận và không cho phép xuống dưới 1.5mg/l Dưới giá trị này sự giảm bớt hoạt động nitrate hóa xuất hiện

- Những vi khuẩn nitrate hóa có thể vẫn còn sống trong sự vắng mặt của DO chỉ trong một khoản thời gian rất ngắn Sự vắng mặt của DO ít hơn 4 giờ không ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa cho đến khi DO được khôi phục Sự vắng mặt

DO nhiều hơn 4 giờ ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa cho đến khi

DO được khôi phục lại Sự vắng mặt DO trong 24 giờ hay nhiều hơn có thể phá hủy quần thể vi khuẩn nitrate

1.7.3 Tính kiềm và pH:

- Nồng độ ion H+ hay pH của môi trường sống của sinh vật có ảnh hưởng tác động rất lớn đến bên trong sinh vật Quá trình nitrate hóa bắt đầu rất chậm ở pH thấp và nó có thể xảy ra trong hầu hết môi trường; quá trình nitrate hóa xảy ra ở pH dưới 5.0 không phải

do vi khuẩn nitrate hóa thực hiện mà do những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ thực hiện, bao gồm cả nấm Ở giá trị pH trung tính thì vi khuẩn nitrate hóa có ưu thế hơn Và ở giá trị pH kiềm thì quá trình nitrate hóa chủ yếu là do vi khuẩn nitrate hóa thực hiện

Bảng 1.5: pH và quá trình nitrate hóa.[16]

pH Tác động đến quá trình nitrate hóa

những sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu cơ xảy ra

độ nitrate hóa chậm chạp

độ nitrate hóa tăng lên

độ nitrate hóa được xem là hằng số

- pH thấp trong nước thải có một ảnh hưởng đầu tiên đến vi khuẩn nitrate hóa bởi sự

ức chế hoạt động của enzyme và ảnh hưởng thứ 2 là đến tính kiềm Quá trình nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính bắt đầu tăng tốc khi pH 6.7 Khoảng pH tối ưu cho quá trình nitrate hóa là 7.2 đến 8.0 Ở khoảng pH từ 7.2 đến 8.0 thì tốc độ của quá trình nitrate hóa được thừa nhận là không thay đổi Và nhiều hệ thống bùn hoạt tính oxi hóa nitơ ở pH gần trung tính Ở pH cao hơn sẽ tác động bất lợi đến các sinh vật dị dưỡng hóa năng hữu

cơ làm nhiệm vụ phân hủy cBOD May thay những vi khuẩn nitrate hóa thích nghi với môi trường chậm hơn khi ở pH thấp hơn tối ưu Tuy nhiên, sự thích nghi với môi trường này có thể yêu cầu sự tăng dần dần hay giảm dần dần của pH

1.7.4 Nhiệt độ (Temperature):

- Trong tất cả các yếu tố hoạt động ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa, nhiệt độ có

sự ảnh hưởng ý nghĩa trên hết trong sự tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa và do đó, ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrate hóa Tốc độ của quá trình nitrate hóa giảm theo sự giảm của nhiệt độ và ngược lại, tăng theo sự tăng của nhiệt độ và nhất là trong khoảng từ 8 đến 30oC Nitrosomonas tăng gần 10% tốc độ tăng trưởng khi nhiệt độ tăng 1oC Dưới

10oC tốc độ quá trình nitrate hóa hạ xuống đột ngột Trên 10oC thì tốc độ quá trình nitrate

hóa hầu như tương ứng về nhiệt độ Nitrosomonas được phân lập từ hệ thống bùn hoạt tính

có tốc độ tăng trưởng tối ưu ở 30oC Vì vậy, những mục đích của hoạt động, nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrate hóa trong hệ thống bùn hoạt tính được tính toán phổ biến là ở 30oC

Không có sự tăng trưởng của Nitrosomonas hay Nitrobacter xảy ra dưới 4oC

Bảng 1.6: Nhiệt độ và quá trình Nitrate hóa.[16]

Nhiệt độ (t o C) Sự ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa

45 o C Quá trình nitrate hóa dừng lại

16 o C Tốc độ quá trình nitrate hóa khoảng chừng 50%

so với khi ở 30 o C

10 o C Sự giảm bớt có ý nghĩa về tốc độ, khoảng chừng

20% về tốc độ so với khi ở 30 o C

5 o C Quá trình nitrate dừng lại

- Tác động ức chế của nhiệt độ lạnh là rất lớn đến Nitrobacter hơn Nitrosomonas Vì

vậy mà không kỳ lạ khi NO2- tích lũy lại trong thời gian nhiệt độ lạnh vào mùa đông

1.7.5 Sự ức chế và độc tính (Inhibition and Toxicity):

- Có vài dạng sự ức chế và độc tính có thể xảy ra trong thời gian quá trình nitrate hóa Sự ức chế là sự mất đi tạm thời của hoạt động enzyme Độc tính là sự mất đi lâu dài của hoạt động enzyme hay hư hại không thể thay đổi được của cấu trúc tế bào

- Tất cả vi khuẩn nitrate hóa có thể khắc phục sự ức chế bằng sự sửa chữa những hệ thống enzyme đã bị hỏng Vì vi khuẩn nitrate hóa chỉ thu được một lượng rất nhỏ năng lượng từ sự oxi hóa NH4+ và NO2-, và không may, năng lượng đủ thường không có sẵn cho duy trì sự thích nghi với khí hậu Vì vậy, với sự tăng lên dù là rất ít của những chất gây ức chế cũng có thể gây ra những sự thay đổi đáng chú ý trong sự tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa

- Với lượng năng lượng rất ít có sẵn để thích nghi với khí hậu, vi khuẩn nitrate hóa

dễ bị tổn thương với nồng độ rất thấp của những chất thải vô cơ và những chất thải hữu cơ Những chất thải có độc tính cao với vi khuẩn nitrate hóa bao gồm: cyanide, những hợp chất halogenated, những kim loại nặng, hydantoin, mercaptans, phenols và thiourea

- Vi khuẩn nitrate hóa còn bị ức chế bởi nồng độ rất thấp của NH3 tự do và nitrous acid tự do NH3 tự do được sinh ra từ NH4+ dưới pH cao trong bể aerotank Còn acid nitrous tự do được sinh ra từ NO2- dưới pH thấp trong bể aerotank Sự ức chế hay độc tính

từ NH3 tự do và acid nitrous tự do được biết đến như là sự ức chế bởi cơ chất ban đầu gây

ra

- Với sự tăng lên của pH, những ion NH4+ dễ dàng chuyển đổi thành NH3 tự do:

NH4+ OH- NH3 H2O

- NH3 tự đo ức chế Nitrosomonas và Nitrobacter NH3 tự do có thể ức chế

nồng độ bằng với 0.1mg/l

- Với sự giảm pH, ion NO2- dễ dàng chuyển đổi nhiều hơn thành acid nitrous tự do:

NO2- H+ ↔ NHO2

- Acid nitrous tự do ức chế Nitrosomonas và Nitrobacter ở nồng độ rất thấp Cả 2

giống vi khuẩn có thể bị ức chế bởi acid nitrous tự do ở nồng độ bằng với 1.0mg/l

- Sự ức chế cơ chất trong hệ thống bùn hoạt tính thường xảy ra ở nồng độ từ 400 đến 500mg/l NH4+, hay khi NH4+ được biến đổi thành NO2- ở tốc độ cao hơn NO2- được biến đổi thành NO3- Vì vậy sự quá dư thừa NH4+ chảy ra hay sự khử nhóm NH2 của những hợp chất nitơ hữu cơ có thể ức chế quá trình nitrate hóa

- Ngoài những vi khuẩn có khả năng quang hợp ra, sự bức xạ cực tím gây tổn hại đến hầu hết các loại vi khuẩn, bao gồm cả vi khuẩn nitrate hóa Hầu hết những bước sóng gây hại là 265nm Có thể do bức xạ tia cực tím là nguyên nhân gây ra sự ngưng hoạt động của

hệ thống enzyme, đặc biệt là những tế bào còn non hay những tế bào đang tăng trưởng nhanh chóng

Bảng 1.7: Những dạng của sự ức chế và độc chất.[16]

Dạng của sự ức chế hay độc chất Sự mô tả và ví dụ

nhánh

- Tăng cường sinh học là việc sử dụng những vi sinh vật được nuôi cấy đặc biệt từ môi trường bên ngoài để bổ sung vào trong các hệ thống xử lý nước thải nhằm tăng hiệu quả xử lý nước thải

1.8.2 Phương pháp tăng cường sinh học:

Hình 1.6: Quy trình phân lập tuyển chọn, cải biến các VSV nguồn gốc tự

nhiên để sản xuất chế phẩm sinh học xử lý ô nhiễm (Gray NF, 2004)[10]

- Những vi sinh vật được dùng thường là những loài có sẵn trong tự nhiên, được phân lập từ những nơi đặc biệt, nơi mà sự chọn lọc tự nhiên cho phép chúng thích nghi với những điều kiện khác thường

- Những vi sinh vật này được tăng sinh trong phòng thí nghiệm và được nuôi cấy trong một môi trường với sự giàu chất gây ô nhiễm mà chúng được yêu cầu phân hủy Từ

đó những giống tốt nhất có thể được phân lập và tăng sinh cho mục đích sử dụng thương mại

1.9 Các nghiên cứu liên quan đến quá trình phân lập, nuôi cấy các chủng vi khuẩn Nitrate hóa:

- Sự phân lập vi khuẩn nitrate hóa trong môi trường nuôi cấy thuần khiết đã được

thực hiện thành công đầu tiên bởi Winogradsky (1890) Sự thành công này của ông đã

được biết đến vài năm trước khi quá trình nitrate hóa được tìm ra là do những sinh vật sống

thực hiện (Schloesing & Muntz, 1877) và sự cố gắng của Frankland cùng các cộng sự

(1890) để phân lập những sinh vật ấy bằng những phương pháp vi khuẩn học thường dùng

đã gặp thất bại

- Bằng sự hiểu biết sâu sắc của mình, Winogradsky đã khám phá ra phương thức tự

dưỡng trong sự sống của những vi khuẩn oxi hóa lưu huỳnh và sắt; và đi đến kết luận rằng những vi khuẩn nitrate hóa cũng có thể là tự dưỡng, và vì vậy ông đã thành công trong việc phân lập chúng bằng việc sử dụng những môi trường phân lập nuôi cấy không phải từ chất

liệu hữu cơ Trong năm 1892, Winogardsky đã mô tả được 2 chủng, Nitrosomonas và

- Và sau đó, những phương pháp nghiên cứu phân lập của ông đã được sử dụng rộng rãi thành công bởi những nghiên cứu tiếp theo sau của các nhà khoa học cùng các cộng sự

của họ như: Boullanger & Massol (1903), Bonazzi (1919), Gibbs (1919), Nelson (1931)

và Kingma Boltjes (1934, 1935)

- Năm 1950, bằng phương pháp cải tiến từ phương pháp của Winogradsky, Jane

Meiklejohn đã thành công trong việc phân lập chủng Nitrosomonas europaea từ sự nuôi

cấy thuần khiết Và cũng trong nghiên cứu này, bà cũng đã tìm ra được môi trường thích hợp (có bổ sung thành phần vi lượng cần thiết) để duy trì hoạt tính của các chủng vi khuẩn nitrate hóa (qua nhiều lần cấy chuyển môi trường để tăng sinh mà không bị mất hoạt tính như ban đầu bà đã vấp phải khi mới bắt đầu nghiên cứu) [11]

- Và cũng trong năm 1953, Jane Meiklejohn đã nghiên cứu và tìm ra lượng sắt tối

ưu cho vào môi trường nuôi cấy để tăng khả năng chuyển hóa từ NH3 thành NO2- của các

chủng Nitrosomonas spp [12]

- Năm 1958, bằng nghiên cứu thực nghiệm của mình, R.F.Lewis và D.Pramer đã khám phá ra rằng: sự phân lập Nitrosomonas tốt hơn khi có sự kết hợp với những vi khuẩn

dị dưỡng được bổ sung vào trong môi trường nuôi cấy [18]

- Năm 1960, Watson và cộng sự đã mở ra một kỉ nguyên mới trong việc phân lập và

nuôi cấy loại vi khuẩn này, họ đã phát hiện ra và đặt tên cho hơn 16 chủng vi khuẩn oxi hóa NH3 khác

- Năm 1968, S.Soriano và N.Walker đã thành công trong việc phân lập và tinh sạch được Nitrosomonas và Nitrosocystis spp bằng việc sử dụng môi trường agar tinh chế và

một phương pháp thu nhận những tập đoàn với những pipet mao quản thủy tinh được hoạt

động bởi máy vi thao tác đơn trước đây đã được mô tả bởi Soriano (1935) [20]

- Năm 1998, Martin Hessels e và S rensen đã tìm ra được một kỹ thuật vi khuẩn lạc để ước lượng khả năng phát triển của vi khuẩn nitrite hóa: Nitrosomonas europaea và

- Năm 2003, Patrick Chain, Jane Lamerdin, Frank Larimer và nhiều cộng sự

khác nữa đã thành công trong việc tìm ra và hoàn tất chuỗi gene của vi khuẩn nitrite hóa

và chủng Nitrosomonas europaea [17]

- Mới đây, 3 nhà khoa học: Kh.Elbanna, R.M.El-Shahawy và K.M.Atalla (2011) đã

tìm ra được một phương pháp mới đơn giản là sử dụng những chất chỉ thị hóa học thay thế những phương pháp hóa học cổ điển để điều tra những vi khuẩn nitrate hóa trong những môi trường khác nhau với hiệu quả rất cao [13]

- Và ngày nay với sự tiến bộ vượt bậc về mặt khoa học kỹ thuật, người ta đã áp dụng

kỹ thuật PCR để xác định đoạn gene amoA (mã hóa cho trung tâm hoạt động của enzyme

chìa khóa trong quá trình nitrite hóa là ammonia monooxygenase-AOB) và phương pháp

phát hiện trực tiếp vi khuẩn này bằng kỹ thuật FISH (Fluorescence in situ hybridization)

Và đã có nhiều ứng dụng các chủng vi khuẩn nitrate hóa vào thực tiễn cuộc sống và đặc biệt nhất là ứng dụng các chủng vi khuẩn này vào hệ thống xử lý nước thải để xử lý các chất thải có bản chất nitơ với hiệu quả rất cao

- Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều chế phẩm sinh học được giới thiệu

để xử lý nước thải, trong đó có nước thải giàu nitơ như: TP- 05- Super (Công Ty Cổ phần Công nghệ Sinh học Thú Y, Biên Giang, Thành phố Hà Đông, Hà Nội), Tidy Pro, Bio 100 Treatment (Công ty TNHH Giải Pháp chăn Nuôi Xanh, 18/6A ấp Mới 1, xã Tân Xuân, huyện Hóc Môn, Tp Hồ Chí Minh), C.Zyme, M.Zyme (Công ty TNHH Long Hiệp, Lô B1, KCN Suối Dầu, Cam Lâm, Khánh Hoà) , theo đăng ký có ghi sự có mặt của các vi khuẩn nitrate hóa [24] Tuy nhiên, hoạt lực của các chế phẩm này không rõ ràng, đó là lý do tại sao chúng tôi quyết định tìm hiểu khả năng tăng sinh, phân lập vi khuẩn nitrate hóa để xử

lý nước thải giàu nitơ

CHƯƠNG 2:

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU