Nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải thủy sản bằng phương pháp bãi lọc trồng cây

Tình trạng đó gây khó khăn rất lớncho việc đảm bảo quá trình phát triển bền vững của quốc gia trong quá trình thựchiện công nghiệp hóa và hiện đại hóa.Trong số các phương pháp xử lý thân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Tuấn Anh

Cơ quan: Đại học Quốc gia Hà Nội

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất Nitơ trong

nước 3

1.1.1 Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay 3

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước 5

1.1.3 Nguyên nhân 6

1.1.4 Tác hại của các hợp chất chưa nitơ đối với cơ thể con người 7

1.1.5 Nguồn gây ô nhiễm amoni 8

1.1.5.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên 8

1.1.5.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người 8

1.2 Khái quát chung về một số phương pháp tách loại amoni 9

1.3 Phương pháp sinh học xử lý amoni 10

1.3.1 Phương pháp sinh học xử lý amoni 10

1.3.1.1 Quá trình Nitrat hóa 10

1.3.1.2 Quá trình đề nitrat hóa 12

1.3.2 Quá trình Anammox 13

1.4 Xử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây ngập nước 26

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 27

1.4.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 27

1.4.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 29

1.4.2 Các ưu nhược điểm chính của bãi lọc trồng cây 29

1.4.2.1 Ưu điểm 29

1.4.2.2 Nhược điểm 29

1.4.3 Cấu tạo của bãi lọc trồng cây[13] 30

1.4.4.1 Bãi lọc trồng cây ngập nước 31

1.4.4.2 Bãi lọc ngầm trồng cây [13] 31

1.4.5 Cơ chế các quá trình xử lý trong bãi lọc trồng cây [5] 33

1.4.5.1 Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học 33

1.4.5.2 Loại bỏ các chất rắn 34

1.4.5.3 Loại bỏ Nitơ 34

1.4.5.4 Loại bỏ photpho 35

1.4.5.5 Loại bỏ kim loại nặng 35

1.4.5.6 Loại bỏ các hợp chất hữu cơ 35

1.4.5.7 Loại bỏ vi khuẩn và virus 36

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu 37

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 37

2.3 Thiết kế 37

2.4 Vận hành 40

2.5 Phương pháp phân tích [3] 40

2.5.1 Xác định hàm lượng amoni bằng phương pháp so màu với thuốc thử Nessler 40

2.5.1.1 Nguyên tắc 40

2.5.1.2 Tiến hành phân tích 41

2.5.2 Xác định hàm lượng Nitrit (NO 2 - ) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử Griss 41

2.5.2.1 Nguyên tắc 41

2.5.2.2 Tiến hành phân tích 42

2.5.3 Xác định nitrat (NO 3 - ) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử phenolđisunfonic 42

2.5.3.1 Nguyên tắc 42

2.5.3.2 Tiến hành phân tích 43

2.5.4 Xác định hàm lượng phốt pho bằng phương pháp đo quang với thuốc

thử Amonimolipdat – vanadat 43

2.5.4.1 Nguyên tắc 43

2.5.4.2 Tiến hành phân tích 44

2.5.5 Phương pháp xác định COD bằng kalibicromat 44

2.5.5.1 Nguyên tắc 44

2.5.5.2 Cách tiến hành 45

2.5.6 Phân tích vi sinh vật 46

2.5.6.1 Lấy mẫu phân tích VSV 46

2.5.6.2 Chỉ tiêu VSV cần phân tích (phương pháp MPN) 46

2.5.7 Các phương pháp sinh học phân tử 46

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả tiền xử lý 48

3.2 Kết quả phân tích các tháng 48

3.3 Tính toán các kết quả thu được và bình luận 60

3.3.1 Kết quả phân tích COD 60

3.3.2 Kết quả phân tích amoni 62

3.3.3 Kết quả phân tích nitrit 63

3.3.4 Kết quả phân tích nitrat 65

3.3.5 Kết quả phân tích photphat 66

3.4 Phân tích vi sinh vật 68

3.4.1 Phân tích thành phần loài vi khuẩn trong các mẫu bằng DGGE 68

3.4.2 Phân lập vi khuẩn đại diện của mỗi nhóm 69

3.4.2.1 Vi khuẩn nitrat hóa 69

3.4.2.2 Vi khuẩn khử nitrat 70

3.4.3 Kết quả phân tích số lượng vi sinh vật 70

3.5 Cây trồng trong bãi lọc trồng cây 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Công nghệ xử lý nước thải hiện nay còn sử dụng nhiều năng lượng, hóachất nhằm tiếp cận mục tiêu kiểm soát môi trường, trong khi đó ít để ý tới sựphát triển bền vững của hệ sinh thái tổng thể Tình trạng đó gây khó khăn rất lớncho việc đảm bảo quá trình phát triển bền vững của quốc gia trong quá trình thựchiện công nghiệp hóa và hiện đại hóa.

Trong số các phương pháp xử lý thân thiện với môi trường được phát triểntrong thời gian gần đây thì phương pháp xử lý nước thải bằng thảm thực vật, cụthể bãi lọc trồng các loại thực vật sống trong nước đã và đang được áp dụng tạinhiều nước trên thế giới Với những ưu điểm nổi bật là rẻ tiền, dễ vận hành,đồng thời mức độ xử lý ô nhiễm cao, loại bỏ được vi sinh vật gây bệnh Phươngpháp bãi lọc trồng cây cũng đặc biệt thích hợp để xử lý nguồn nước bị ô nhiễmkim loại nặng và các loại chất ô nhiễm khác

Bãi lọc trồng cây ngập nước được xem là một phương pháp sinh học hữuhiệu sử dụng cả hệ vi sinh vật và hệ thực vật trong xử lý nước thải Tuy nhiên, vì

là 2 giới hoàn toàn khác nhau nên khả năng thích ứng khác nhau, nhu cầu dinhdưỡng khác nhau và khả năng chuyển hóa các chất cũng khác nhau Vi sinh vậtthiên về vô cơ hóa các chất hữu cơ, ngược lại thực vật lại thiên về hữu cơ hóacác chất vô cơ Do khả năng thích ứng của thực vật đối với môi trường thường

kém hơn vi sinh vật nên khả năng duy trì sự phát triển ổn định khó khăn hơn,ngược lại vi sinh vật có khả năng thích ứng cao hơn, có khả năng tự biến đổi,thích ứng với điều kiện môi trường

Nước ta có vùng biển rộng lớn (thềm lục địa có diện tích gấp 3 lần diệntích đất liền), lại có nhiều sông ngòi nên sản lượng thủy sản hàng năm rất lớn.Ngành chế biến thủy sản ở nước ta vì vậy mà ngày càng phát triển và đang dầntrở thành một trong những ngành mũi nhọn của nền kinh tế Việt Nam; mỗi nămđóng góp vào ngân sách nhà nước khoảng 4,2 tỷ USD nhưng bên cạnh lợi ích đócũng sinh ra rất nhiều vấn đề về môi trường Quá trình chế biến thủy sản đòi hỏimột lượng nước lớn, ước tính để chế biến 1 tấn thủy sản cần đến trên 10m3nước Nước thải trong quá trình chế biến thủy sản chứa hàm lượng chất hữu cơcao, ngoài ra còn có các chất kháng sinh, sát trùng và tẩy rửa, do đó cần phải xử

lý triệt để nhằm loại bỏ các tác nhân gây ô nhiễm môi trường

Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xử lý amoni

trong

nước thải thuỷ sản bằng phương pháp bãi lọc trồng cây” nhằm tìm hiểu sự

chuyển hóa các chất trong đó chủ yếu là amoni trong môi trường bãi lọc ngậpnước có trồng cây cói trên bề mặt của bãi lọc nhằm ứng dụng để xử lý nước thảichế biến thủy sản [2]

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lý các hợp chất nitơ trong nước

1.1.1 Tình hình ô nhiễm các nguồn nước hiện nay

Hiện nay, ở Việt Nam mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắngtrong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tìnhtrạng ô nhiễm nước vẫn là một vấn đề rất đáng lo ngại

Với tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa khá nhanh, sự gia tăng về dân số

đã gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước Môi trường nước ởnhiều đô thị, khu công ngiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải,khí thải và chất thải rắn Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất côngnghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử

lý chất thải Ô nhiễm nước do các hoạt động sản xuất công nghiệp là rất nghiêmtrọng

Tình trạng ô nhiễm nước thấy rõ nhất là ở Hà Nội và thành phố Hồ ChíMinh Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tậptrung mà trực tiếp đổ ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương) Mặt khác cònrất nhiều các cơ sở sản xuất, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệthống xử lý nước thải, cũng như một lượng lớn chất thải rắn trong thành phốkhông thu gom hết được… là những nguồn đáng kể gây ô nhiễm môi trườngnước Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn làrất cao

Ở thành phố Hà Nội, tổng lượng nước thải của thành phố lên tới 300.000đến 400.000 m3/ngày, hiện mới chỉ có 5/31 bệnh viện có hệ thống xử lý nướcthải, chiếm 25% lượng nước thải bệnh viện; 36/400 cơ sở sản xuất có xử lý nướcthải, lượng nước thải sinh hoạt chưa được thu gom khoảng 1.200m3/ngày đang

xả vào các khu đất ven hồ, kênh, mương trong nội thành Chỉ số BOD, oxy hòatan, các chất NH4+, NO2-, NO3- ở các sông, mương nội thành đều vượt quá quy

định cho phép Ở thành phố Hồ Chí Minh, lượng rác thải lên tới gần 4000tấn/ngày, chỉ có 24/142 cơ sở y tế lớn là có xử lý nước thải, 3.000 cơ sở sản xuấtgây ô nhiễm thuộc diện phải di dời [9].

Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà tại các thành phố khácnhư Hải Phòng, Nam Định, Hải Dương, Đà Nẵng… nước thải sinh hoạt cũngkhông được xử lý, độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quátiêu chuẩn cho phép

Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn, nơi cơ sở hạtầng còn lạc hậu, phần lớn chất thải của con người và gia súc không được xử lýnên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước vềmặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao Trong sản xuất nông nghiệp do lạmdụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị

ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khỏe của nhân dân

Theo thống kê của Bộ Thủy sản, tổng diện tích nước mặt sử dụng chonuôi trồng thủy sản đến năm 2010 của cả nước là 1,1 triệu ha Do nuôi trồngthủy sản ồ ạt, thiếu quy hoạch, không tuân theo quy trình kĩ thuật nên đã gâynhiều tác động tiêu cực tới môi trường nước Ngoài ra, với việc sử dụng nhiều

và không đúng cách các loại hóa chất trong nuôi trồng thủy sản, các thức ăn dưthừa lắng xuống đáy ao, hồ, lòng sông đang làm cho môi trường nước bị ônhiễm các chất hữu cơ, làm phát triển một số loài sinh vật gây bệnh và làm xuấthiện một số loại tảo độc, thậm chí đã có dấu hiệu xuất hiện thủy triều đỏ ở một

số vùng ven biển Việt Nam

Như vậy, có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tìnhtrạng ô nhiễm môi trường nước như: sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trìnhcông nghiệp hóa, hiện đại hóa, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu, nhận thức củangười dân còn nhiều hạn chế… Đáng chú ý là sự bất cập trong hoạt động quản

lý, bảo vệ môi trường Nhận thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổchức và cá nhân có trách nhiệm về nhiệm vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâusắc và đầy đủ Cơ chế phân công giữa các cơ quan, các ngành chưa đồng bộ,

chưa quy định trách nhiệm rõ ràng…

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước

Hiện nay, do thực trạng hệ thống cấp – thoát nước, xử lí nước cấp và nướcthải, chất thải rắn chưa đồng bộ, cộng thêm đó là sự phát triển của các ngànhcông – nông nghiệp ngày một tăng trong thời gian gần đây, chưa kể đến các quátrình diễn ra trong tự nhiên, ở điều kiện địa chất – thủy văn phức tạp ở vùngchâu thổ sông Hồng, đã gây cho nguồn cấp nước duy nhất hiện nay – nguồnnước ngầm, nguy cơ ô nhiễm ngày càng cao, trong đó có ô nhiễm các hợp chấtchứa nitơ

Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nước ngầm ở vùng đồngbằng Bắc Bộ như Hà Nội, Ninh Bình, Hải Dương … đều bị nhiễm amoni

NH4+rất nặng, vượt tiêu chuẩn nhiều lần

Tại Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương, Hưng Yên, TháiBình, xác xuất các nguồn nước ngầm nhiễm amoni ở nồng độ cao hơn tiêuchuẩn là khoảng 70 – 80% Ngoài amoni, không ít nguồn còn chứa khá nhiềuhợp chất hữu cơ Như vậy tình trạng nhiễm bẩn amoni và hợp chất hữa cơ trongnước ngầm ở Đồng bằng Bắc Bộ đã đến mức báo động và khả năng tác động củaamoni lên cơ thể con người là chắc chắn

Kết quả khảo sát mới đây của Liên đoàn địa chất thủy văn – địa chất côngtrình miền Bắc cho thấy, hàm lượng amoni, nitrat, nitrit, … trong nước ngầm ở

Hà Nội đã vượt nhiều lần chỉ tiêu cho phép, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe củacon người Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên Quyết định 1329 của

Bộ Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng amoni: 1,5mg/l Trên thực

tế, kết quả phân tích các mẫu nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi caohơn từ 20 đến 30 lần Tầng nước ngầm trên (cách mặt đất từ 25m đến 40m)– nơi người dân khai thác bằng đào giếng khoan – đã ô nhiễm nặng ở nhiều nơi.Điển hình là xã Pháp Vân có hàm lượng amoni là 31,6 mg/l Phường Tương Mai

có hàm lượng amoni 13,5 mg/l Các phường Trung Hòa, xã Tây Mỗ, xã TrungVăn đều có hiện trạng tương tự.

Nguy hại hơn, mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian, xã Yên Sởtrong năm 2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng amoni là 37,2 mg/l nay đãtăng lên 45,2 mg/l, phường Bách Khoa mức nhiễm từ 9,4 mg/l, nay tăng lên 14,7mg/L Có nơi chưa từng bị nhiễm amoni song nay cũng đã vượt tiêu chuẩn chophép như Long Biên, Tây Mỗ, Đông Ngạc Hiện nguồn nước nhiễm bản đã lanrộng trên toàn thành phố

Tầng nước ngầm dưới (cách mặt đất từ 45m đến 60m) là nguồn cung cấpcho các nhà máy cũng bị nhiễm bẩn Đề tài “Nghiên cứu xử lý nước ngầmnhiễm bẩn amoni” do Sở Giao thông Công Chính Hà Nội đã nghiệm thu chothấy: “Do cấu trúc địa chất, nước ngầm Nhà máy nước Tương Mai có hàmlượng sắt và amoni NH4+ là 6-12, có khi 18 mg/l; Hạ Đình là 12-20, có khi 25mg/l; Pháp Vân: 15-30, có khi 40 mg/l” [4, 7]

1.1.3 Nguyên nhân

Các chất ô nhiễm như các hợp chất chứa nitơ sẽ từ nước mặt thấm xuốngnước dưới đất Đó là nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm Như vậy nếu nguồnnước mặt bị ô nhiễm thì dẫn đến nguồn nước ngầm cũng bị ô nhiễm Ngoài raquá trình lắng đọng giữ lại cũng như hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quátrình phân giải tự nhiên (protein, amino axit, amit, hợp chất hữu cơ chứa nitơ )cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nito trong nước Ở môi trường pH từ 6 – 8nitơ nằm chủ yếu dưới dạng NH4+ Amoni có thể xuất hiện trong nước ngầm từnước thải sinh hoạt, bãi chôn lấp phế thải, nghĩa trang do kết quả của quá trìnhamôn hóa – phân hủy các hợp chất chứa nitơ như đạm, nước tiểu và axit nucleic bởi vi sinh vật hay do việc sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu có chứa nitơ trongcông nghiệp Sự có mặt các ion NH4+ cùng với NO3- chứng tỏ nước ngầm bị ônhiễm bởi nước thải sinh hoạt mới xâm nhập [4]

1.1.4 Tác hại của các hợp chất chưa nitơ đối với cơ thể con người

Các hợp chất nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, nitrit,nitrat và amoni Amoni thực ra không quá độc với cơ thể người Ở trong nướcngầm amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxy Khi khai thác lên, vi sinhvật trong nước nhờ oxy trong không khí chuyển amoni thành các nitrit (NO2-),nitrat (NO3-) tích tụ trong nước ăn Các hợp chất chứa nitơ trong nước có thểgây nên một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nước

Trong những thập niên gần đây, nồng độ nitrat trong nước uống tăng lênđáng kể Nguyên nhân là do sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ nitrat xuốngnước ngầm Hàm lượng nitrat trong nước uống tăng gây nguy hại về sức khỏeđối với cộng đồng Bản thân nitrat không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiênnitrat chuyển thành nitrit (do men khử nitrat) lại có khả năng gây độc Nitrit ảnhhưởng đến sức khỏe với 2 khả năng sau: Chứng máu Methaemoglobin và ungthư tiềm tàng [3]

* Chứng máu Methaemo – globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em)

Trẻ nhỏ khoảng 1 tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lưu huyết cầu tố bào thai và

do trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hóa nitrat thànhnitrit Nitrit hình thành ở dạ dày, truyền qua đường máu, phản ứng với huyết sắc

tố mang oxy, oxy hóa sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khảnăng mang oxy của máu, có khả năng gây tử vong do: ngột ngạt hóa chất Ởnhững quốc gia có nồng độ NO3- cao, phải cấp nước chai có nồng độ NO3- thấpcho các bà mẹ đang cho con bú và trẻ em được nuôi bằng sữa bình

* Ung thư tiềm tàng

Đối với người lớn, NO2- kết hợp với các amoni axit trong thực phẩm làthành chất Nitrosamin Nitrosamin có thể gây tổn thương di truyền tế bào –nguyên nhân gây bệnh ung thư Những thí nghiệm cho NO2- vào thức ăn, nước

uống của chuột, thỏ với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thờigian thấy những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng.

Ngoài ra, amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khửtrùng bằng clo, do nó phản ứng với clo để tạo thành các cloramin, có tác dụngsát khuẩn yếu hơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần) Ngoài ra, nó còn giảmkhả năng xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống Amoni là nguồn dinhdưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật trong nước, kể cả tảo, phát triển nhanh,làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong,mùi vị, nhiễm khuẩn [31]

1.1.5 Nguồn gây ô nhiễm amoni

1.1.5.1 Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên

Nitơ từ đất, nước, không khí vào cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổisinh học, hóa học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí tạo thành mộtvòng khép kín gọi là chu trình nitơ

Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất hữu cơ Lượng này càngđược tăng lên do sự phân hủy xác thực vật, chất thải động vật Hầu hết thực vậtkhông thể trực tiếp sử dụng những dạng nitơ hữa cơ này mà phải nhờ vi khuẩntrong đất chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ dễ hấp thụ Khi được rễ câyhấp thụ, qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein,clorophin nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển Con người và động vật ăn thựcvật, sau đó thải cặn bã vào đất cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật Một sốloài thực vật có nốt sần như cây cọ đậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng có thể chuyểnhóa nitơ trong khí quyển thành dạng nitơ sử dụng được cho cây Nitơ đã tạođược một chu trình kín trong tự nhiên

1.1.5.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người

Ngoài quá trình hình thành theo con đường tự nhiên lượng ion NO3-,

NO2-, NH4+ trong chu trình còn được tăng lên do các nhà máy sản xuất phân

đạm, chất thải khu đô thị có hàm lượng nitơ cao Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước

bề mặt có thể từ nhiều ngồn khác nhau: Công nghiệp, nông nghiệp, dân cư Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ônhiễm nguồn nước Nitrat được thải qua nước thải hoặc rác thải Trong hệ thốngống khói của các nhà máy này còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặpmưa và một số quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạngHNO3, HNO2 Do đó hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên

Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm lớn cho nước Việc sử dụngphân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụngbừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ, làm cho lượng nitrat, amoni trong nước bề mặt

và ngầm ngày càng lớn

Trong nước thải sinh hoạt cũng có chứa một hàm lượng nitơ nhất đinh.Việc nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống các con sôngtrong thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nước [5]

1.2 Khái quát chung về một số phương pháp tách loại amoni

Amoni là một thành phần rất hay gặp trong nước thải Các dòng thải chứanitơ có thể gây độc đối với môi trường nước, gây ra hiện tượng giảm nồng độoxi trong nước, hiện tượng phú dưỡng và ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ clo

Vì vậy loại bỏ nitơ có trong các nguồn nước thải là cần thiết Các hợp chất củanitơ có thể được loại bỏ từ nước thải bởi các quá trình sinh học hay các quá trìnhkết hợp giữa hóa học và vật lý Phương pháp sinh học là kinh tế và hiệu quả dogiá thành vận hành thấp và quá trình thực hiện là thuận lợi hơn so với cácphương pháp vật lí, hóa học Do đó quá trình loại bỏ nitơ theo phương pháp sinhhọc thường được ứng dụng rộng rãi hơn các phương pháp vậy lý, hóa học [5, 22,27]

Có rất nhiều phương pháp xử lí amoni trong nước ngầm đã được các nướctrên thế giới thử nghiệm và đưa vào áo dụng như: Làm thoáng để khử NH3 ở

(break-point) trên đường cong hấp thụ clo trong nước, tạo cloramin; trao đổi ion

NH4+ và NH3- bằng các vật liệu trao đổi Kation – Anion như Klynoptilolyle haySepiolite; nitrat hóa bằng phương pháp sinh học; nitrat hóa kết hợp với khửnitrat; công nghệ Anammox, Sharon - Anammox; Phương pháp điện hóa, điệnthẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều, dùng vi sinh vật

1.3 Các phương pháp sinh học xử lý amoni

1.3.1 Phương pháp sinh học xử lý amoni

Nitrat hóa sinh hóa đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái trên TráiĐất đặc biệt là với chu trình của nitơ Đây là phương pháp truyền thống để xử líamoni, là quá trình chuyển hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ của nitơ có tínhkhử thành các hợp chất vô cơ có tính oxi hóa Amoni được loại bỏ qua 2 giaiđoạn: Giai đoạn nitrat hóa và giai đoạn đề nitrat hóa

1.3.1.1 Quá trình nitrat hóa

* Vi khuẩn nitrat hóa

Các loại vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hóa gồm Nitrosomonas

và Nitrobacter Các vi sinh vật này được coi là loại tự dưỡng bởi vì chúng tiếp

nhận năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào từ sự oxi hóa các hợpchất vô cơ hoặc CO2 hơn là từ các hợp chất hữu cơ Cả 2 loại vi sinh vật này đều

có yêu cầu về môi trường riêng biệt cho sự sinh trưởng như pH, nhiệt độ, oxihòa tan Thêm vào đó, chúng tái sinh chậm hơn nhiều so với vi sinh vật dịdưỡng Nhiều loại kim loại nặng hoặc các hợp chất hữu cơ có thể ức chế sự phát

triển của VSV nitrat hóa Nitrosomonas chỉ có thể oxi hóa amoni thành nitrit cũng như Nitrobacter chỉ oxi hóa nitrit thành nitrat.

* Điều kiện tối ưu cho sự phát triển của 2 loại vi khuẩn trên

- Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ từ 25 – 300C là thích hợp cho việc nitrat hóa, trong đó tại nhiệt độ xung quanh 300C tốc độ nitrat hóa là cao nhất [32]

- pH: Thông thường, sự chuyển hóa của amoni thành nitrat thông quanitrit bởi vi sinh vật nitrat hóa tự dưỡng được coi là xảy ra trong môi trường pH từtrung tính đến kiềm Trong quá trình nitrat hóa ở pH axit được coi như kết quả dohoạt động của vi sinh vật dị dưỡng Kết luận này thu được từ sự quan sát tốc độphát triển của vi khuẩn nitrat hóa trong hệ thống gián đoạn, người ta thấy rằng pH

tối ưu cho Nitrosomonas và Nitrobacter tương ứng nằm trong khoảng 7.5 – 9.0 và

7.0 – 9.3 Sự oxi hóa nitrit bị giảm tại pH kiềm do sự ức chế cạnh

tranh giữa NO2- và OH-, trong khi sự ức chế tại pH thấp phụ thuộc vào sự tạo

thành axit nitric tự do

* Phương trình tỉ lượng

Sự oxi hóa của NH4+ và NO3- xảy ra theo 2 bước sau:

Bước 1: Amoni được oxi hóa thành Nitrit

Vi khuẩn thực hiện quá trình này ở khu vực nước ngọt có tên là Nitrosomonas

europara và khu vực nước lợ có tên là Nitrosococcus.

Bước 2: Oxi hóa NO2- thành NO3

Phương trình tổng cộng có thể viết như sau:

NH 4+ + 2O 2 → NO 3- + 2H+ + H 2 O (1)

Để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn muốn oxi hóa 1 g NH4+ cần 4,57 g O2

Phản ứng tạo sinh khối cũng xảy ra đồng thời với quá trình nitrat hóa theo

phương trình:

NH 4 + HCO 3- + 4CO 2 + H 2 O → C 5 H 7 O 2 N + 5O 2 (2)

Trong đó C5H7O2N là công thức tượng trưng cho tế bào vi khuẩn

Kết hợp (1) và (2) phương trình tổng cộng của quá trình oxi hóa và tạo sinh khốilà:

22NH 4 + 37O 2 + HCO3 - + 4CO 2 + H 2 O → C 5 H 7 O 2 N + 21NO 3- + 20H 2 O + 42H +

Từ phương trình trên ta thấy rằng tính kiềm sẽ giảm dần trong suốt quá trìnhnitrat hóa [33]

* Hiệu quả của quá trình nitrat hóa

Vận tốc quá trình nitrat hóa phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật),nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật, hàm lượng amoni, oxy hòatan, vật liệu lọc Ở nhiệt độ cao thì quá trình diễn ra thuận lợi hơn

Quá trình nitrat hóa diễn ra có hiệu quả khi hàm lượng oxy hòa tan lớnhơn 4 mg/l Với hàm lượng oxy hòa tan 2 mg/l, hiệu suất quá trình giảm đi 50%.Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết tụ thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệulọc, nơi các màng vi sinh vật dính bám cũng có ảnh hưởng quan trọng tới hiệusuất làm sạch và sự tương quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa [31]

1.3.1.2 Quá trình đề nitrat hóa

Đề nitrat hóa là quá trình trong đó một số loài vi khuẩn nhất định trongđiều kiện kị khí khử NO3- thành sản phẩm khí như N2, NO, N2O – là những chất

có ảnh hưởng không đáng kể tới môi trường [33]

* Vi khuẩn đề nitrat hóa

Không giống như vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng trong giai đoạn nitrat hóa,

vi khuẩn đề nitrat hóa là vi khuẩn dị dưỡng Các loại phổ biến là Bacillus,

Micrococcus, Pseudomonas, Achromobacter.

Trong môi trường kị khí, các vi khuẩn này sử dụng NO3- hay NO2- là chấtnhận điện tử cuối cùng và sử dụng các hợp chất hữa cơ để tạo năng lượng Cácchất hữu cơ gồm methanol, axetat, glucozơ, etanol và một số hợp chất khác.Metanol (CH3OH) không đắt, vì vậy nó thường được sử dụng rộng rãi hơn cả

*Phương trình tỉ lượng

Đề nitrat hóa là quá trình gồm 2 bước, sử dụng metanol là chất cho điện tử

có thể được biểu diễn theo phương trình sau:

và đề nitrat hóa thông thường là ở chổ đòi hỏi nhu cầu về oxi ít hơn và khôngcần nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài Bước nitrat hóa bán phần trước phảiđược tiến hành để chuyển chỉ một nửa amoni thành nitrit Sản phẩm trình

19

anammox là N2, tuy nhiên khoảng 10% của nitơ đưa vào (amoni và nitrit) đượcchuyển thành nitrat Dựa trên cân bằng khối qua quá trình nuôi cấy làm giàuanammox phương trình của quá trình anammox được đưa ra như sau:

NH4+ +1.3NO2- +0.066HCO3- + 0.13H+ → 1.02N2 + 0.26 NO3- + 0.066 CH2O

0.5 N0.15 + 2.03H2O [32]

Hình 1.1: Cơ chế sinh hóa giả thiết của phản ứng anammox

Anammox là một công nghệ mới được phát triển trong những năm gầnđây Nó không cần bất kỳ một nguồn cacbon hữu cơ nào để loại bỏ nitơ vì vậy

nó đem lại lợi ích về kinh tế và mang lại nhiều tiềm năng cho xử lý nước thải cóchứa amoni nhưng hàm lượng cacbon hữu cơ thấp Trong quá trình anammox,amoni được chuyển thành N2 với nitrit là chất nhận điện tử và vì vậy tỉ lệ hàmlượng và amoni là khoảng 1.3 [16]

Sự kết hợp hai quá trình nitrat hóa bán phần và quá trình anammox dựatrên thực tế rằng nitrit là hợp chất trung gian trong cả hai quá trình Vì vậy nitrathóa bán phần để chuyển 1/2 amoni thành nitrit là thuận tiện và kinh tế và theosau đó là quá trình anammox đảm bảo loại bỏ toàn bộ nitơ thông qua một quátrình hoàn toàn tự dưỡng Nhu cầu oxi giảm đi chỉ còn 62,5% và tiết kiệm đượcđáng kể giá thành do không phải bổ xung thêm cacbon hữu cơ so với hệ thốngnitrat hóa - đề nitrat hóa thông thường [32]

Trong những năm gần đây, quá trình anammox đã nhận nhiều được sựquan tâm và nghiên cứu Từ những nghiên cứu này cho thấy rằng có ít nhất haikhả năng cho quá trình oxi hóa amoni yếm khí tồn tại trong tự nhiên Vi khuẩn

oxi hóa amoni "hiếu khí" bao gồm Nitrosomonas eutropha giảm nitrit hoặc nitơ

đioxit với hydroxylamine hoặc amoni là chất cho điện tử dưới điều kiện yếmkhí Tốc độ oxi hóa amoni yếm khí lớn nhất là khoảng 2nmol NH4+ min-1 (mgprotein)-1 sử dụng NO2 là chất nhận điện tử Trong phản ứng này NO là chấttrung gian Trong quá trình anammox với nitrit là chất nhận điện tử thì tốc độoxi hóa có thể lên đến 55nmol NH4+ min-1 (mg protein)-1 [29]

Hình 1.2: Vi khuẩn anammox Candidatas Brocadia

(John Fuerst/Rick Webb) [7]

* Các điều kiện ảnh hưởng

Khoảng pH và nhiệt độ sinh lý học: Tốc độ chuyển hóa chất nền đặc biệtlớn của toàn bộ sinh khôi anammox được tính toán như một hàm của nhiệt độ và

pH trong những thí nghiệm dạng mẻ và trong sự vắng mặt của những giới hạn

về chuyển khối Từ sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hoạt tính anammox, người ta

đã tính toán được năng lượng hoạt động là 70kJ/mol, là xấp xỉ tương đương vớiquá trình oxi hóa hiếu khí.

Hoạt tính và ức chế: Hằng số hoạt tính của anammox với amoni và nitritcân bằng hoặc nhỏ hơn 0.l mg N/l Quá trình anammox là không bị ức chế bởiN-NH4+ và N-NO3- với nồng độ ít nhất lên tới 1000mg/l Tuy nhiên N-NO2- gâynên ức chế hoàn toàn với nồng độ 100mg/l, ở những nồng độ nitrit lớn hơn18mM hoạt tính của anammox đã bị ức chế hoàn toàn, và nồng độ 25mM tươngứng với nồng độ ức chế 50% [35]

Ảnh hưởng của các chất nền và các chất sản phẩm: Tiến hành thí nghiệmvới các nồng độ ban đầu khác nhau của amoni, nitrit, và nitrat cho thấy nitrit cóảnh hưởng lớn nhất với hoạt tính đặc biệt SAA (specific anammox activity) cựcđại của anammox Với nồng độ nitrit 25mM tương ứng với nồng độ ức chế 50%.Còn với amoni và nitrat khi nồng độ lên đến 70 mM trong thiết bị phản ứngSBR được tiến hành liên tục trong một tuần không quan sát thấy có ảnh hưởng

âm nào lên hoạt tính của anammox Vì vậy nồng độ nitrit đòi hỏi phải được điềukhiển chặt chẽ để tránh những ức chế cho quá trình

Sự ức chế này sẽ được phục hồi bằng cách cộng thêm vào lượng vếtnhững chất trung gian của anammox (>1.4 mgN/1 của hydrazine, > 0.7 mgN/1của hydroxylamine) Hoạt tính của anammox giảm với sự gia tăng nồng độnitrit Việc giảm này không phụ thuộc vào pH trong khoảng 7 – 7,8 Ở nồng độnitrit cao các vi sinh vật không chỉ sử dụng amoni là chất cho điện tử mà chúngcòn phải tạo ra một chất cho điện tử ngay ở bên trong cơ thể để làm giảm nitrit[8]

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình anammox là khoảng 30 – 400C

Tuy nhiên gần đây Cemaetal đã cho thấy rằng trong một thiết bị đĩa quaysinh học quá trình anammox cũng đã đạt được thành công khi tiến hành ở nhiệtxung quanh 200C Và điều này cũng được ghi nhận bởi Isakaetal khi tiến hànhvới thiết bị phản ứng lọc sinh học yếm khí (anaerobic biofilter - ABF) với kếtquả xử lý được 8,1 g N (Ld)-1 Và một vài nghiên cứu với anammox ở biển cũngcho thấy hoạt tính của anammox ở nhiệt độ thấp Vì vậy việc ứng dụnganammox sẽ không bị hạn chế bởi ảnh hưởng của nhiệt độ gần khoảng 300C[13].

Rất nhiều các nghiên cứu đã tiến hành ở nhiệt độ của nước thải khá caovới khoảng nhiệt độ tối ưu cho anammox là 370C, quá trình anammox đượcdùng chủ yếu vào xử lý nước thải từ đâu ra của thiết bị phân hủy metan Nếunhư hoạt tính mà có đủ ở nhiệt độ thấp thông thường (dưới 250C) thì quá trìnhanammox có thể được ứng dụng rộng rãi để xử lý nhiều loại nước thải côngnghiệp Và một thí nghiệm tiến hành với thiết bị lọc sinh học yếm khí (ABF) ở

20 - 220C đã cho thấy rằng với một nồng độ thích hợp của nitrit và thời gian lưuthủy lực ngắn hơn sẽ đem lại một tốc độ chuyển hóa nitơ cao ngay cả khi chúng

ta tiến hành ở nhiệt độ thấp thích hợp (dưới 250C) [24]

Người ta cũng đã nhận thấy rằng hoạt tính cực đại của sinh khối anammoxkhi không được làm thích nghi là được quan sát thấy trong khoảng nhiệt độ từ

35 đến 400C Trong khi ở 450C sẽ gây nên sự giảm hoạt tính của anammoxkhông thuận nghịch do sự giảm dần của sinh khối Bằng việc giảm từ từ nhiệt độngười ta cũng đã đạt được thành công trong thiết bị phản ứng kiểu SBR ở 180C.Nhưng khi nhiệt độ giảm xuống 150C, hiệu suất tối đa của thiết bị phản ứngcũng giảm do sự tích lũy nồng độ nitrit và ảnh hưởng của cả nhiệt độ và hệthống sẽ mất tính ổn định Như vậy sự thích nghi của sinh khối anammox ởnhiệt độ thấp đã được quan sát và người ta cũng nhận thấy rằng có sự thay đổi

về đặc điểm vật lý của bùn và cả đặc điểm chất lượng của mật độ vi khuẩn trongquá trình phản ứng [13].

Phản ứng anammox dễ dàng bị ức chế bởi oxi và nitrit Một mức độ oxirất thấp (> 0.04 mg L-1) đã gây ra ức chế thuận nghịch, nồng độ nitrit cao (> 100

mg L-1) gây ra ức chế không thuận nghịch hoạt tính của vi khuẩn oxi hóa amoni.Ảnh hưởng của oxi lên quá trình anammox đã được kiểm nghiệm trong vài thínghiệm và kết quả chỉ ra rằng chỉ khi oxi được loại bỏ bằng việc thổi đẩy mạnhvới các khí trơ, việc chuyển hóa amoni và nitrit mới được phục hồi Và người tacũng nhận thấy rằng hoạt tính của anammox trong quá trình nuôi cấy làm giàuchỉ có ở những điều kiện toàn yếm khí [9] Nồng độ oxi cao gây nên ức chếkhông thuận nghịch (18% độ bão hòa oxi - saturation) [35]

Trong những quan sát gần đây trong mô hình bán công nghiệp đã cho thấy

có sự liên hợp của anammox (anammox consortium) khi phải đối mặt với nhữngđiều kiện thay đổi và khác nghiệt trong xử lý nước thải so với điều kiện tối ưutrong phòng thí nghiệm

Trong những năm qua việc cố gắng mở rộng phạm vi ứng dụng củaanammox vào trong công nghiệp đã được tiến hành Chẳng hạn như kết hợp quátrình anammox và quá trình đề nitrat đã được nghiên cứu để xử lý nước thải cónồng độ amoni cao mà chứa COD và sau đó là những khả năng liên hợp mà đãđược tích lũy của anammox dưới điều kiện đầu vào có nồng độ amoni thấp hoặcdưới những điều kiện nhiệt độ thấp Ngày nay có một vài vấn đề đặt ra trongviệc ứng dụng anammox vào thực tế là sự thích nghi với sự có mặt của oxi trongdòng vào hay trong thiết bị phản ứng, cụ thể là khả năng liên hợp đã được nuôidưỡng ở những điều kiện có oxi Điều này sẽ tiết kiệm được chi phí trong việctạo ra điều kiện yếm khí hoàn toàn trong quá trình anammox ứng dụng vào côngnghiệp Một kế hoạch đầy triển vọng để tránh ảnh hưởng của DO là làm giàumột số vi khuẩn tiêu thụ oxi để tạo ra vùng (niche) yếm khí thích hợp cho

anammox Mặc dù việc nuôi cây làm giàu liên hợp anammox thường được tiếnhành ở trong những điều kiện không có oxi và hoàn toàn tự dưỡng Nhưng thậmchí do có thể được cung cấp ở dòng vào với nồng độ là thấp hơn so với một vàiquá trình khác mà được trang bị máy cung cấp oxi Vì dưới điều kiện thiếu oxinày sẽ gặp khó khăn trong việc làm giàu các vi khuẩn tiêu thụ oxi và làm chochúng thể hiện hoạt tính trong liên hợp Thực tế có vài loại vi khuẩn mà có thểchịu đựng được trong điều kiện thiếu oxi trong một thời gian dài và tính đa dạngtrong thành phần của liên hợp anammox là thấp hơn so với thành phần của cácliên hợp trong một vài quá trình loại bỏ nitơ khác Tuy nhiên sự có mặt của các

vi khuẩn nitrat trong thiết bị phản ứng anammox hoặc màng sinh học anammoxcho thấy rằng mặc dù các vi khuẩn nitrat có thể được làm giàu dưới điều kiện yếmkhí, nhưng chúng sống sót ít nhất Rất nhiều các vi khuẩn oxi hóa amoni

như một vài giống thuộc Nitrosomonas là yếm khí tùy tiện và có sự trao đổi khí.

Chúng có thể sử dụng rất nhiều chất cho proton (hydro, pyruvat, amoni) để khửnitrit dưới điều kiện yếm khí để tạo ra NO, N2O, N2 Trái ngược hẵn với các vikhuẩn anammox, chúng có quá trình trao đổi chất linh hoạt hơn nhiều Hoạt tínhoxi hóa amoni cao nhất là thấp hơn 25 lần so với anammox (55nmol NH4+ -N(mg protein)-1 min-1 nhưng cũng đủ cao để tồn tại trong giai đoạn kéo dàikhông có mặt của oxi Nhờ quá trình trao đổi chất phức tạp để sao chép mà một

số giống thuộc Nitrosomonas có thể đưa đến khả năng tạo ra một công nghệ

thích hợp cho sự thích nghi với DO của liên hợp anammox [27]

Kết quả thu được khi tiến hành trong thiết bị đĩa quay sinh học không gắnkết (non-woven biological rotating contactor) cho thấy khi dòng vào có chứa oxithì việc loại bỏ N-NH4+, N-NO2- vẫn đạt được những thành công nhờ liên hợpanammox với tốc độ loại bỏ anammox cao, ổn định 2-2.3 kg N m-3 ngày-1 Khinồng độ DO được tăng dần theo từng bậc thì vi khuẩn có chức năng tiêu thụ oxicần một thời gian để chuyển đổi quá trình trao đổi chất cho phù hợp Trong quá

trình này, các vi khuẩn nitrat hóa hiếu khí giống như N eutropha là cộng đồng

có chức năng tiêu thụ oxi chính và vì vậy giúp bảo vệ vi khuẩn anammox thuộc

Planctomycetale khỏi oxi [27].

Ảnh hưởng của sunfua, sunfit và phôtphat: Với sunfua nồng độ giữa 1 và

2 mM gây ra sự giảm 60% hoạt tính của SAA Và SAA hoàn toàn biến mất ởnồng độ sunfua lớn hơn 5mM lmM sunphit đã gây ra sự ảnh hưởng tới hoạt tínhcủe anammox

Anammox là một vi khuẩn tự dưỡng có tốc độ sinh trưởng khá chậm,nồng độ các chất bền và các hợp chất khác trong nước thải thô có thể gây độcđổi với hoạt tính của anammox Photphat (5 - 50mM) có ảnh hưởng ức chếmạnh đến hoạt tính của anammox Còn acetate có thể có mặt ở nồng độ lên đến

10 và 15 mM mà không gây nên sự giảm hoạt tính đáng kể nào Nhưng ở nồng

độ 25 và 50 mM acetat sẽ gây ra ức chế 22 và 70% [34]

Ảnh hưởng của muối: nồng độ NaCl dưới 150mM không ảnh hưởng đếnhoạt tính của anammox trong khi KC1 và Na2S04 có ảnh hưởng khi nồng độcao hơn 100 và 50 mM 40mM KHCO3 không có ảnh hưởng đến anammox

* Sinh học tế bào

Quá trình anammox được thực hiện bởi vi khuẩn tự dưỡng thuộc nhóm

plantcomycetales Các vi khuẩn trong quá trình anammox thuộc vào 3 giống sau: Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua Vi khuẩn

anammox được tìm thấy đầu tiên trong những tầng nước ở biển Đen, những khuvực có nồng độ oxi thấp ở đại dương [34] Chúng là loại cực khó để phân lập và

vì vậy không có môi trường nuôi cây tinh khiết nào giữ lại được Tuy nhiên cómột vài môi trường nuôi cây được làm giàu cao từ các thiết bị xử lý nước thải[25]

Toàn bộ các vi khuẩn anammox đều có các ngăn được ngăn bởi màngtrong tế bào được gọi là các anammoxosome và quá trình anammox được chorằng diễn ra ở đó Ở đây amoni được oxi hóa thành nitrit theo con đườnghydrazin (N2H4) và hydroxinamin (NH2OH) Màng của anammoxosome chứalớp lipid mà tạo thành các barie chặt chẽ chống lại sự phá hủy và là nơi xuấthiện đặc tính đặc biệt của anammox Quá trình thủy phân làm các enzim trongmàng xúc tác cho sự oxi hóa của NH4+ với NO2-, với hydrazine vàhydroxylamine là chất trung gian và tạo ra một động lực proton đi qua màngđược dùng để sản ra ATP Cấu trúc màng rất chặt chẽ hạn chế sự phá hủy củaproton khi đi qua màng để tăng quá trình tạo ATP Nó cũng ngăn chặn sự mất đicủa các chất trung gian và hạn chế chất trung gian hoạt động là hydrazine tới cácanammoxosome và vì vậy ngăn chặn nó tạo ra những phá hủy đối với tế bào[35].

Người ta cũng nhận thấy rằng cả các hỗn hợp vi khuẩn oxi hóa amoni vàcác vi khuẩn anammox dưới điều kiện yếm khí đều có thể sử dụng nitrit như làmột chất nhận điện tử và amoni như là chất cho điện tử Phương pháp FISH đãđược sử dụng để nhận dạng các loại vi khuẩn oxi hóa amoni trong điều kiện yếm

khí cho thấy rằng có 3 loại là Nitrosomonas spp., Candidatus Brocadia

anammoxidans và Candidates Kuenenia stuttgartiensis Quá trình nuôi cấy khi

được tiến hành ở 42mg N – NH4+/l thì sẽ làm giàu cho Nitrosomonas spp Chỉ

có trên 30% Candidatus B anammoxidans và K.stuttgartiensis là 2.1% trong khi

nêu tiến hành nuôi cấy ở nồng độ 210mg N- NH4+/l thì B anammoxidans và K.stuttgartiensis chiếm đến 85.6% Tốc độ loại bỏ nitơ của vi khuẩn anammox

(0.6 g N/g anammox VSS/ngày) là cao hơn đáng kể so với vi khuẩn oxi hóa

amoni (0.4 g N/g Nitrosomonas VSS/ngày) [25].

Phản ứng oxi hóa amoni yếm khí được tiến hành bởi hai loại vi khuẩn

anammox có tên là Candidatus Brocadia anammoxidans và Candidatns

Kuenenia stuttgartiensis Vi khuẩn này trước đây đã được quan sát thấy ở Hà

Lan và sau đó là ở trong một vài thiết bị xử lý nước thải ở Đức và Thụy Điển.Hai loại vi khuẩn này là rất giống nhau Hoạt tính cao của anammox là có thểnhận thấy ở cả hai loại này trong khoảng pH từ 6.4 đến 8.3 và nhiệt độ từ 20 đến

430C Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của cả hai loại này là giống nhau Hoạt tính

anammox cao nhất của K.stuttgartiensis là 26.5 nmol N2/mg protein.min ở pH 8

và 370C Hoạt tính này là thấp hơn so với hoạt tính anammox tối đa của B

anammoxidans Tốc độ sinh trưởng (thời gian nhân đôi là 11 ngày) của cả hai là

giống nhau Hoạt tính của vi khuẩn anammox cao hơn gấp 25 lần vi khuẩn nitrathiếu khí oxi hóa amoni dưới điều kiện yếm khí khi sử dụng nitrit là chất nhậnđiện tử Quá trình oxi hóa amoni yếm khí chậm hơn 7 lần so với quá trình oxihóa amoni hiếu khí Vi khuẩn anammox rất nhạy cảm với oxi và nitrit Nồng độthấp ở 2µM và nitrit ở từ 5 đến 10 mM đã gây ra ức chế hoàn toàn với anammoxnhưng có thể phục hồi được [2]

* Gác loại mô hình cho quá trình anammox

Anammox được quan sát thấy trong thiết bị xử lý nước thải với tỉ lệ C/Nthấp và trong thiết bị phản ứng có sự lưu giữ sinh khối tốt như thiết bị dạng mẻliên tiếp yếm khí ASBR (anaerobic sequential batch reactor) hay trong hệ thốngthiết bị sử dụng vật liệu mang như thiết bị tầng chuyển động MBR (moving bedreactor), thiết bị đĩa quay sinh học RBC và thiết bị phản ứng dạng màng Vi sinh

vật liên quan đến quá trình oxi hóa amoni yếm khí là Planctomyces dường như

là phụ thuộc vào hoạt tính của vi khuẩn oxi hóa amoni hiếu khí trong những điềukiện giới hạn về oxi ví dụ như ở bề mặt danh giới giữa hiếu khí/kị khí của cácmàng sinh học hay các bông [18]

Để tăng tính ổn định của hệ thống trong quá trình anammox người ta cũng

đã sử dụng nhiều các thiết bị phản ứng như thiết bị tầng giãn nở, thiết bị phảnứng theo mẻ liên tiếp hay thiết bị dạng vận chuyển bằng khí (gas-lift type

reactor) Và vi khuẩn anammox cũng đã được giữ lại trong thiết bị phản ứng vớisinh khối ở dạng hạt Người ta đã đạt được những thành công trong việc pháttriển hoạt tính của anammox trong các loại thiết bị này Đặc điểm của các thiết

bị này là thời gian khởi động cần khoảng 3 tháng Thêm vào đó người ta còn sửdụng cả thiết bị phản ứng dạng lọc sinh học yếm khí ABF với vật liệu mang làcác sợi polyester không đan kết có các lỗ xốp nhỏ li ti như là một tầng cố định

và được cho rằng là vật liệu mang cố định có khả năng trong việc làm giàu vàlưu giữ vi khuẩn anammox [24] Trong đó thiết bị màng sinh học hoặc thiết bịphản ứng bùn dạng hạt có thể là cách tiến hành tốt nhất đối với quá trìnhanammox Thiết bị SBR (sequential batch reactor) thường được sử dụng để làmgiàu anammox do tính đơn giản, lưu giữ sinh khối có hiệu quả, tính đồng nhấtcủa hỗn hợp trong thiết bị phản ứng, tính ổn định và tin cậy trong một thời giantiến hành phản ứng dài, tính ổn định dưới những điều kiện giới hạn về chất nền

và sự chuyển hóa nitơ cao [22]

Ở Hà Lan quá trình oxi hóa amoni yếm khí đã đạt được nhiều thành côngnhư là một hệ thống loại bỏ nitơ có hiệu quả kinh tế cũng như thân thiện với môitrường Vi khuẩn anammox trong điều kiện yếm khí với nitrit là chất nhận điện

tử và năng lượng duy trì cho quá trình cố định CO2 Giá thành và sự tạo ra CO2

trong quá trình loại bỏ nitơ đã được giảm đến 60% và 90% Nhưng có một hạnchế là tốc độ sinh trưởng chậm của vi khuẩn anammox đã đòi hỏi một thời gianbắt đầu và thời gian phục hồi khá dài sau những thay đổi biến động Người ta đãgặp phải vấn đề này trong thiết bị phản ứng UASB khi được đưa vào lần đầutiên để xử lý nước thải Do việc tạo thành dạng hạt từ bùn ở dạng bông là rất khókhăn nên thiết bị phản ứng UASB đầu tiên đã phải mất một thời gian khởi độngrất dài Điều này đã khắc phục bằng một thiết bị phản ứng mới với các hạt đượctạo sắn trước Và vì vật trong thiết bị UASB với các hạt được tạo sẵn trước đãgiúp phần làm giảm thời gian bắt đầu từ tháng sang tuần Việc tạo hạt cũng là

bài giải cho trường hợp thời gian khởi động của anammox Trong thiết bị phảnứng kiểu tạo hạt mới đòi hỏi sinh khối phải thích nghi với những điều kiện mới.

Sự thích nghi này sẽ dẫn đến hoặc sự thích nghi khí hậu của các cộng đồng vikhuẩn cùng tồn tại trong điều kiện mới hoặc sự thay đổi quan trọng trong cộngđồng vi sinh vật [20]

Các vi khuẩn anammox có tốc độ sinh trưởng chậm và hằng số sinh sảnthấp Hoạt tính của anammox bị ức chế khi tiếp xúc với oxi thậm chí ở mức độppm Vì vậy mà rất khó để làm giàu nuôi dưỡng Trước đây người ta đã cố gắnglàm giàu các vi khuẩn anammox từ các dạng khác nhau của các quá trình bùnhoạt tính và đã thành công trong việc làm giàu hai dạng của vi khuẩn anammoxvới thời gian nuôi cấy dài Nên để ứng dụng được anammox vào trong quá trình

xử ly nước thải cần phải phát triển một thiết bị phản ứng mà thích hợp cho sựsinh trưởng và làm giàu vi khuẩn anammox Dựa trên đặc điểm của anammoxthiết bị phản ứng kiểu sinh trưởng gắn két và sinh trưởng dạng hạt đã được ứngdụng thành công trong việc phát triển và lưu giữ được nồng độ cao của các vikhuẩn yếm khí mà có tốc độ sinh trưởng chậm và số lượng sinh khối thấp Trongquá trình UASB, các hạt được tạo thành bằng một cộng đồng gồm nhiều loại vikhuẩn khác nhau bao gồm vi khuẩn của quá trình axit và quá trình metan Bùndạng hạt có thể giữ lại một lượng lớn sinh khối hoạt động trong thiết bị phảnứng vì vậy mà cho phép tiến hành được ổn định trong những điều kiện dòng đưavào lớn Tuy nhiên cơ chế tạo hạt là rất phức tạp và không được biết một cáchthỏa đáng [17]

Người ta cũng có thể tiến hành quá trình anammox bằng việc sử dụng hạtbùn của quá trình phân hủy mêtan làm vật liệu mang vi khuẩn anammox đượclấy từ thiết bị xử lý nước thải của nhà máy bia Trước khi bắt đầu các hạt bùncủa quá tình metan được nuôi cấy dưới điều kiện môi trường không có oxi Quátrình nuôi cấy được tiếp tục cho đến khi có sự tiêu thụ xa hơn các NOX được

quan sát thấy Dòng ra từ thiết bị phản ứng không đan kết (nonwoven reactor)chứa anammox được đưa vào thiết bị phản ứng với dòng chảy đi lên để cho quátrình tạo hạt của sinh khối Nước thải được cho vào thiết bị phản ứng sau khiloại bỏ oxi bằng cách thổi khí nitơ Để tránh nồng độ nitrit cao gây ức chếanammox, dòng ra của thiết bị phản ứng được quay vòng để pha loãng đầu vào[26].

Có vài quá trình làm giàu anammox đã được thử nhưng trong phần lớncác thiết bị phản ứng được nuôi cây với bùn có hoạt tính oxi hóa yếm khí amonihoặc với bùn yếm khí Pynaert et al đã chỉ ra hoạt tính oxi hóa amoni với mộthỗn hợp bùn của quá trình metan và nitrat trong thiết bị đĩa quay sinh học.Jianlong và Jing đã tìm thấy hoạt tính của anammox trong thiết bị phản ứng tầngbùn dạng hạt với hạt được tạo từ bùn yếm khí Dapena - mora et al cũng đã sửdụng bùn sinh hoạt để tạo hạt cho thiết bị phản ứng anammox Nhưng để cóchiến lược về việc thay đổi thời gian khởi đầu của thiết bị phản ứng UASB cầnphải có một sự rửa trôi chọn lọc các tế bào để giữ lại được sinh khối có hoạt tínhđặc biệt và hoạt động trong thiết bị phản ứng [18]

Vi khuẩn anammox sinh trưởng và nhân đôi chậm nên không thể dùngcông nghệ nuôi cấy làm giàu thông thường Thí nghiệm với dòng liên tục tiếptrong một thiết bị phản ứng có vật mang sinh khối không đan kết với một vỏpolymer được thiết kế để tăng sự lưu giữ sinh khối vi sinh vật được sử dụng nhưmột phương tiện cố định cho sự gắn kết của màng sinh học cũng đã đạt đượcnhững thành công [19]

Người ta còn tiến hành quá trình anammox trong thiết bị màng sinh họchuyền phù vận chuyển nhờ khí (suspended biofilm gas-lift reactor) Ở đỉnh củathiết bị có một vùng lắng, ở bên cạnh của thiết bị phản ứng, một ống đồng tâmđược đặt ở trong thiết bị phản ứng được sử dụng để tạo ra sự chuyển động hỗnloạn tạo ra một dòng vòng quanh của sinh khối và chất lỏng Toàn bộ ống và hệ

thống kết nối được thiết kế để tránh sự khuếch tán của oxi vào môi trường lỏng[16].

* Ứng dụng quá trình anammox

Công nghệ oxi hóa amoni kị khí (Anammox) là một công nghệ có tiềmnăng và hiệu quả kinh tế cao hơn cho việc loại bỏ amoni có trong nước thải bãichôn lấp Nơi mà có chứa một hàm lượng cao amoni và các chất hữu cơ khóphân hủy Để cho quá trình Anammox xảy ra hoàn toàn cần một bước nitrat bánphần trước để tạo thành tỉ lệ thích hợp giữa NO2-/NH4+

Người ta cũng đã ứng dụng quá trình anammox vào xử lý dòng thải củacông nghiệp cá hộp Dòng thải này có độ mặn tương tự như nước biển, hàmlượng chất hữu cơ, protein cao Và quá trình phân hủy yếm khí dòng thải này đãloại được khoảng từ 70-90% và cũng dẫn đến tạo thành một lượng lớn amoni(5000mg/l) do sự phân hủy của protein Và vì vậy làm cho dòng thải có một tỉ lệC/N thấp Điều này phù hợp cho dùng phương pháp anammox kết hợp vớisharon để xử lý [29]

Nước thải chứa hàm lượng cao của amoni và ít chất hữu cơ như dòng racủa thiết bị phân hủy bùn cũng được sử lý bằng phương pháp này Tuy nhiên cácđiều kiện về trao đổi chất nghiêm ngặt và tốc độ sinh trưởng cực chậm của vikhuẩn anammox đã hạn chế việc ứng dụng vào những thiết bị phản ứng qui môlớn Mặc dù vậy cũng đã có một vài thành công trong việc ứng dụng anammoxvào nước thải công nghiệp thực tế [29]

1.4 Xử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây ngập nước

Bãi lọc trồng cây là những vùng đất trong đó có mức nước cao hơn hoặcngang bằng so với mặt đất trong thời gian dài, đủ để duy trì tình trạng bão hòacủa đất và sự phát triển của các vi sinh vật và thực vật sống trong môi trường đó.Các vùng đất ngập nước tự nhiên cũng có thể được sử dụng để làm sạch nước

thải, nhưng chúng có một số hạn chế trong quá trình vận hành do khó kiểm soátđược chế độ thủy lực và có khả năng gây ảnh hưởng xấu bởi thành phần nướcthải tới môi trường sống của động vật hoang dã và hệ sinh thái trong đó.

Đất ngập nước nhân tạo hay bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lýsinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm, trong khi vẫnbảo tồn được những ưu điểm của bãi đất ngập nước tự nhiên Các nghiên cứutrên thế giới cho thấy, bãi lọc trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước

tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc trồng cây có độ dốc hợp lý và chế

độ thủy lực được kiểm soát Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc trồng câycũng được nâng cao do thực vật và những thành phần khác trong bãi lọc trồngcây có thể quản lý được như mong muốn Chính vì vậy, bãi lọc trồng cây rấtthích hợp cho việc xử lý nước thải tại các khu vực dân sinh, khu công nghiệp,các làng nghề nơi có quỹ đất rộng Việc phát triển bãi lọc trồng cây cũng có ýnghĩa bù đắp và phục hồi các khu vực đất ngập nước bị mất đi do nhu cầu đô thịhóa và phát triển xây dựng

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

1.4.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 1991, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm xử lý nước thải sinh hoạtđầu tiên đã được xây dựng ở Na Uy Ngày nay, tại những vùng nông thôn ở Na

Uy và Đan Mạch, phương pháp này đã trở nên rất phổ biến để xử lý nước thảisinh hoạt Mô hình quy mô nhỏ được áp dụng phổ biến là hệ thống bao gồm bể

tự hoại, tiếp đó là bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy thẳng đứng và một bãi lọcngầm trồng cây dòng chảy ngang Bể lọc sinh học hiếu khí được thiết kế trướcbãi lọc ngầm để giảm BOD, COD và thực hiện quá trình nitrat hóa trong điềukiện thời tiết lạnh

Các nghiên cứu khác tại Đức, Thái Lan, Cộng hòa Séc, Thụy Sỹ, Bồ ĐàoNha, Trung Quốc, Thổ Nhĩ Kỳ, Hoa Kỳ cho thấy bên cạnh việc xử lý có hiệuquả các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, bãi lọc trồng cây còn có thể loại bỏ vi

sinh vật gây bệnh trong nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị; xử lý phân bùn

bể phốt và xử lý nước thải công nghiệp, nước rò rỉ bãi rác… Không những thế,thực vật từ bãi lọc trồng cây còn có thể được chế biến, sử dụng làm phân bóncho đất, làm bột giấy và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường TạiCộng Hòa Séc bãi lọc trồng cây được thiết kế lần đầu tiên vào năm 1989, đếnnăm 1999 đã có hơn 100 bãi lọc trồng cây đã được thiết kế, chủ yếu theo côngnghệ dòng chảy ngang với các loài thực vật sử dụng là sậy và cỏ mèo Các bãilọc này chủ yếu được dùng để xử lý nước thải sinh hoạt, với hiệu suất xử lý chấthữu cơ tính theo BOD5 lên đến hơn 80% Các nhà khoa học tại Trung tâmnghiên cứu môi trường tại Leipzig-Halle, CHLB Đức đã nghiên cứu một cách hệthống công nghệ bãi lọc trồng cây để xử lý các chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ vàkhả năng khử trùng bằng công nghệ này

Một bãi lọc trồng cây áp dụng cho xử lý nước thải của khu dân cư thuộcngoại ô Bayawan City, Philippines với 336 hộ dân và 3380 nhân khẩu đượchoàn thành vào năm 2006, với sự trợ giúp của Trung tâm nghiên cứu môi trườngLeizig-Halle, CHLB Đức Diện tích tổng cộng của bãi lọc trồng cây là 2680m2,đáp ứng yêu cầu xử lý là 150m3 nước thải/ngày đêm Loại thực vật được sửdụng trong bãi lọc là cỏ sậy Khả năng tách loại chất hữu cơ tính theo BOD của

hệ thống này đạt đến 97%

Các nghiên cứu thử nghiệm trên thế giới cho thấy, công nghệ bãi lọc trồngcây có thể áp dụng cho ngành công nghiệp chế biến thủy sản Nhóm các nhàkhoa học Thái Lan tại King Mongkut’s University hợp tác với các nhà khoa họccủa Tulane University, Hoa Kỳ, tiến hành khảo sát khả năng sử dụng bãi lọctrồng cây để xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản tại Thái Lan Với thờigian lưu thủy lực là 5 ngày hiệu suất tách loại đạt đến 91 – 99% đối với BOD,

52 - 90% đối với chất rắn lơ lửng, 72 – 92% đối với tổng nitơ, 72 – 77% đối vớitổng photpho Kết quả cũng cho thấy trong hàm lượng chất hữu cơ quá cao cầnphải có quá trình pha loãng hoặc tiền xử lý

1.4.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng các bãi lọc ngầm trồngcây đã và đang được một số trung tâm nghiên cứu và trường đại học áp dụng thửnghiệm, chủ yếu xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện Các đề tàinghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phương pháp này tại Việt Nam như: “Xử lýnước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trongđiều kiện Việt Nam” của Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu côngnghiệp Trường Đại học Xây dựng Hà Nội hợp tác với Đại học Linkoeping ThụyĐiển; “Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thảisinh hoạt tại xã Minh Nông, Bến Gót, Việt Trì” của Đại học Quốc gia Hà Nội…

đã cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp này trong điều kiện của ViệtNam Đây là công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện vớimôi trường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời làmtăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địaphương Sinh khối thực vật và bùn phân hủy sau xử lý từ bãi lọc trồng cây còn

• Đơn giản trong xây dựng, hoàn toàn có thể sử dụng các vật liệu địa phương

• Vận hành và bảo trì hoàn toàn đơn giản,

• Hiệu quả xử lý tốt và quá trình hoạt động ổn định

1.4.2.2 Nhược điểm

• Yêu cầu quỹ đất cho xử lý, bãi lọc trồng cây chỉ có hiệu quả kinh tế cao

• Vẫn chưa phát triển được hệ tiêu chuẩn để thiết kế bãi lọc trồng cây cho các loại nước thải khác nhau và các vùng khí hậu khác nhau.

1.4.3 Cấu tạo của bãi lọc trồng cây [29]

Bãi lọc trồng cây thường bao gồm:

Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của bãi lọc trồng cây

1.4.4 Các loại bãi lọc trồng cây xử lý nước thải

Có thể phân loại bãi lọc trồng cây dựa vào dạng thức tồn tại của thực vật thủy sinh (trôi nổi tự do, ngập trong nước, nổi cố định trên bề mặt); dựa vào

hướng dòng chảy trong hệ thống (dòng chảy tự do bề mặt, dòng chảy ngầm);dựa vào kết cấu của toàn bộ hệ thống (dạng hệ thống hybrid, hệ thống một giaiđoạn hay hệ thống đa giai đoạn); dựa vào dạng nước thải được xử lý… Trong

đó, cách phân loại dựa trên hướng dòng chảy được sử dụng nhiều nhất và có thểchia thành 2 nhóm chính: bãi lọc trồng cây ngập nước (dòng chảy bề mặt) và bãilọc ngầm trồng cây (dòng chảy dưới bề mặt)

1.4.4.1 Bãi lọc trồng cây ngập nước

Hệ thống này có cấu tạo và hoạt động như một đầm lầy hay đất ngậpnước tự nhiên Dưới đáy của bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạohoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệulọc phù hợp cho sự phát triển của thực vật có thân nhô lên mặt nước Dòng nướcthải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng của bãi lọc này thường làkênh dài và hẹp, chiều sâu lớp nước nhỏ, vận tốc dòng chảy chậm và thân câytrồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thủylực kiểu dòng chảy đẩy

1.4.4.2 Bãi lọc ngầm trồng cây [29]

a Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang (Horizontal flow HF)

Trong hệ thống HF, nước thải từ hệ thống dẫn vào chảy từ từ ngầm bề mặt

và theo dòng chảy ngang cho tới hệ thống ga thoát nước sau xử lý Trong quátrình này nước thải sẽ tiếp xúc với các khu vực hiếu khí, thiếu khí và kị khí.Vùng hiếu khí là các khu vực xung quanh rễ và thân rễ bởi theo đó oxy sẽ được

rò rỉ vào hệ thống Trong quá trình nước thải chảy từ từ qua vùng rễ, nước thải

sẽ được xử lý bằng các vi sinh vật cư trú tại đó

Hình 1.4: Sơ đồ bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

b Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng (Vertical flow VF)

Hệ thống VF thông thường được cấu tạo từ hệ thống cát và sỏi cả ở dướiđáy bể và trên mặt bể cùng hệ thực vật Nước thải cần xử lý sẽ thẩm thấu từ phíatrên xuống dưới và được tập trung vào hệ thống hố ga thoát nước đã xử lý

Hệ thống VF được cấp nước thải liên tục trên một diện tích bề mặt khôngnhỏ, nước thải thấm dần xuống dưới thâm nhập vào khu vực xử lý của bể vànước sau xử lý sẽ được thu gom vào hệ thống ga thoát nước Không khí có thểthâm nhập vào hệ thống qua các ống thông khí và bởi chính đường thoát nướcsau xử lý, chính sự cung cấp oxy liên tục này cùng với oxy được vận chuyển qua

hệ thực vật sẽ đóng góp một lượng oxy lớn hơn so với hệ thống HF

Hình 1.5: Sơ đồ bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng

1.4.5 Cơ chế các quá trình xử lý trong bãi lọc trồng cây – vai trò của hệ thực vật trong bãi lọc [7]

1.4.5.1 Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong các bãi lọc, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại

bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học(BOD) có trong nước thải BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại

bỏ nhờ quá trình lắng Cả bãi lọc ngầm trồng cây và bãi lọc trồng cây ngập nước

về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh vật Tuy nhiên, đối với bãi lọc trồng câyngập nước, vai trò của các vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước củabãi lọc đối với việc loại bỏ BOD trong các màng vi sinh vật bao bọc xung quanhlớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh họcxảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trênphần thân ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu lọc xungquanh, nhờ quá trình khuếch tán

Vai trò của thực vật trong bãi lọc:

 Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú

 Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu và bộ rễ.

1.4.5.2 Loại bỏ các chất rắn

Các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì hệthống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài Chất rắn không lắng được,chất keo có thể được loại bỏ thông qua các cơ chế lọc (nếu sử dụng cát lọc); lắng

và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi khuẩn); hút bám, hấp phụ lên cácchất rắn khác (thực vật, đất, cát, lớp sỏi nền…)

Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước

và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sửdụng Trong mọi trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kểtrong việc loại bỏ các chất rắn

1.4.5.3 Loại bỏ nitơ

Nitơ được loại bỏ trong bãi lọc nhờ 3 cơ chế chế chủ yếu sau:

 Nitrat hóa /khử nitrat

 Sự bay hơi của ammoniac (NH3)

 Sự hấp thụ của thực vật

Trong các bãi lọc, sự chuyển hóa của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa

và khử của đất, bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất và phần ngập nước của thực vật cóthân nhô lên mặt nước Nitơ hữu cơ bị khoáng hóa thành NH4+ trong cả 2 lớpđất oxy hóa và khử Lớp oxy hóa và phần ngập của thực vật là những nơi chủyếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn

Nitrosomonas và cuối cùng thành NO3- bởi vi khuẩn Nitrobacter Ở môi trường

pH cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí.Nitrat trong vùng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vậthấp thụ Tuy nhiên nitrat lại được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ hiện tượngkhuếch tán

Đối với lớp bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào