Nghiên cứu xử lý amonium trong nước thải chăn nuôi heo bằng hạt sinh khối anammox

TÓM TẮT Các nghiên cứu trong luận văn này nhằm mục đính xử lý N-NH4, N-NO2 trong nước thải chăn nuôi heo với nồng độ N-NH4, N-NO2 trong khoảng 300-600mg/l.ngày bằng quá trình sinh học tr

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CAO THU THỦY

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONIUM TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG HẠT SINH KHỐI ANAMMOX

Chuyên ngành : Công nghệ môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2007

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: CAO THU THỦY Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 24/04/1982 Nơi sinh : Ninh Thuận

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONIUM

TRONG NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG HẠT SINH KHỐI ANAMMOX

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tạo sinh khối của nhóm vi khuẩn anammox trên chất mang là bùn hạt kỵ khí

- Theo dõi sự phát triển sinh khối Anammox thông qua xử lý ammonium trong

nước thải tổng hợp và nước thải chăn nuôi heo

- Đề suất những ứng dụng có liên quan

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2006

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 1/11/2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TSKH NGÔ KẾ SƯƠNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH Ngô Kế Sương đã tận tình hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dậy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm làm việc trong suốt những năm học qua

Xin cảm ơn toàn thể tập thể anh chị em các phòng ban chức năng Viện Sinh Học Nhiệt Đới Tp Hồ Chí Minh và Thạc sỹ Lê Công Nhất Phương đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố, Mẹ, gia đình và những người thân của tôi đã động viên, giúp đỡ và cùng tôi bước trên những chặng đường học tập đã qua

Tp Hồ Chí Minh, 10/2007 Cao Thu Thủy

TÓM TẮT

Các nghiên cứu trong luận văn này nhằm mục đính xử lý N-NH4, N-NO2 trong nước thải chăn nuôi heo với nồng độ N-NH4, N-NO2 trong khoảng 300-600mg/l.ngày bằng quá trình sinh học trong hạt sinh khối anammox Quá trình được thực hiện ở mô hình UASB trong phòng thí nghiệm với thể tích là 10 lít với lưu lượng là 10lít/ngày Từ kết quả thực nghiệm tại mô hình, đề xuất quy trình công nghệ thực tế

Nghiên cứu được chia làm 2 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Tạo môi trường thích hợp để vi khuẩn anammox phát triển tốt trong bùn hạt kỵ khí được lấy từ bể UASB Tại đây duy trì dòng chảy nhân tạo, thay đổi nồng độ N-NH4 và N-NO2 trong nước thải nhân tạo từ 300-600mg/l.ngày Từ đó xác định điều kiện tối ưu của quá trình

- Giai đoạn 2: Chạy mô hình UASB bằng nước thải chăn nuôi heo khi bùn hạt đã thích nghi ở giai đoạn 1

Từ kết quả thực nghiệm, đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo ứng dụng hạt bùn giàu sinh khối anammox, có khả năng xử lý ammonium cao, giảm tiêu hao năng lượng, hóa chất và an toàn cho môi trường

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO 4

2.1 MỞ ĐẦU 4

2.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CHĂN NUÔI HEO Ở VIỆT NAM 5

2.3 THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO 7

2.3.1 Thành phần của chất thải từ việc chăn nuôi 7

2.3.2 Tính chất của nước thải chăn nuôi heo 10

2.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO 11

2.4.1 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên 12

2.4.2 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo 12

2.4.3 Giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi 15

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH NITƠ, NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX, HẠT SINH KHỐI ANAMMOX 18

3.1 TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH NITƠ 18

3.1.1 Sự cố định nitơ 18

3.1.2 Sự đồng hoá Nitơ 18

3.1.3 Sự khoáng hóa Nitơ 19

3.1.4 Quá trình nitrat hoá 19

3.1.5 Sự khử nitrat hoá 22

3.2 TỔNG QUAN VỀ NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX 25

3.2.1 Giới thiệu 25

3.2.2 Sự phát hiện phản ứng Anammox 25

3.2.3 Cơ chế 27

3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox 31

3.2.5 Ưu nhược điểm của quá trình anammox 34

3.3 TỔNG QUAN VỀ HẠT SINH KHỐI ANAMMOX 39

3.3.1 Mở đầu 39

3.3.2 Đặc tính bùn hạt kỵ khí 39

3.3.3 Cơ chế tạo hạt của bùn 41

3.3.4 Những phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn 42

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

4.1 VẬT LIỆU VÀ VI SINH VẬT 44

4.1.1 Nước thải 44

4.1.2 Bùn giống 45

4.2 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM 46

4.3 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH BÙN HẠT ANAMMOX 46

4.3.1 Mô hình nghiên cứu và điều kiện vận hành hệ thống 46

4.3.2 Điều kiện vận hành hệ thống 47

4.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 48

4.5 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 48

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

5.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SINH KHỐI ANAMMOX 49

5.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XỬ LÝ N-NH 4 TRONG NƯỚC CHĂN NUÔI HEO 52

5.3 KẾT LUẬN 56 5.4 ĐỀ XUẤT CÁC CÔNG TRÌNH ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Aerobic Quá trình hiếu khí/điều kiện hiếu khí/bể xử lý hiếu khí

Anaerobic Quá trình kị khí/điều kiện kị khí/bể xử lý kị khí

Anammox Oxi hóa ammonia trong điều kiện kị khí

Anoxic Quá trình thiếu khí/điều kiện thiếu khí/bể xử lý thiếu khí

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa

CANON Quá trình khử nitơ thông qua nitrite bằng quá trình tự dưỡng hoàn

toàn (completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)

COD Nhu cầu oxy hóa học

MLSS Tổng chất rắn lơ lửng trong hệ bùn lỏng

MLVSS Tổng chất rắn bay hơi trong hệ bùn lỏng

SHARON Bể phản ứng đơn lẻ xử lý ammonium nồng độ cao thông qua nitrite

(single reactor system for high ammonium removal over nitrite)

SS Chất rắn lơ lửng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Tỷ trọng của chăn nuôi trong nông nghiệp 6

Hình 3.1 Chu trình nitơ mới có thêm mắt xích Anammox 26

Hình 3.3 Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của bùn 40

Hình 3.4 Bùn hạt kỵ khí từ bể UASB 41

Hình 3.5 Lý thuyết spaghetti trong việc tạo thành bùn hạt 42

Hình 4.1 Mô hình UASB 47

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Phân bố chăn nuôi heo theo các vùng (số liệu thống kê 1.10.2001) 5

Bảng 2.2 Lượng phân thải ra hàng ngày của một số loại heo (Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994) 7

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của phân (Ngô Kế Sương_Nguyễn Lân Dũng, 1997) 8 Bảng 2.4 Lượng nước tiểu thải ra hàng ngày (Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994) 9

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của nước tiểu heo (Nguyễn Thanh Cảnh và ctv, 1997-1998) 9

Bảng 2.6 Thành phần tính chất hóa lý của nước thải chăn nuôi heo (Lê Công Nhất Phương, 2007) 10

Bảng 3.1 Các điều kiện tối ưu cho quá trình nitrat hoá (Lâm Minh Triết – giáo trình vi sinh môi trường) 21

Bảng 3.2 Tóm tắt quá trình loại bỏ nitơ bởi các nghiên cứu công nghệ sinh học (Luiza Gut, 2006) 23

Bảng 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa bán phần và anammox 31

Bảng3.4 Tóm tắt ưu khuyết điểm của quá trình anammox trong các công nghệ xử lý 35

Bảng 3.5 Tóm tắt những hệ thống xử lý nitơ sử dụng anammox (Luiza Gut, 2006) 35 Bảng 3.6 Tóm tắt những nghiên cứu trên thế giới liên quan về bùn hạt anammox trong xử lý nước thải chăn nuôi heo 38

Bảng 4.1 Nước thải tổng hợp chạy trong mô hình UASB 44

Bảng 4.2 Nước thải chăn nuôi heo đầu ra của bể kỵ khí UASB 45

Bảng 4.3 Các phương pháp phân tích và thiết bị phân tích 48

Trong nước rỉ rác, ammonia phát sinh do sự hòa tan của các thành phần có chứa nitơ trong chất thải từ các hoạt động của con người vào dòng nước thấm, qua hoạt động phân hủy của các quá trình sinh hóa trong bãi rác

Nước thải chăn nuôi heo là một trong những loại nước thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nhất, là nguồn nước thải không an toàn do chứa hàm lượng các hợp chất hữu cơ khá cao, nhiều chất sơ và nhiều hàm lượng các hợp chất nitơ, lưu huỳnh, trứng gian sán… Ngoài ra nguồn nước này có nguy cơ trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh bệnh cho gia súc đồng thời lây lan cho người do chứa nhiều mầm bệnh như: samonella, Leptospira, Clostridium, Baccillus, fasciolosis, Buski, Brucella… Thành phần nước thải chăn nuôi heo tuỳ thuộc vào điều kiện vệ sinh chuồng trại,

có hoặc không thu gom phân trước khi tắm heo, rửa của mỗi cơ sở chăn nuôi mà thành phần nước thải khác nhau và độ dao động rất lớn Nước thải chăn nuôi heo thông thường có nồng độ ammonium rất cao, nếu không được quan tâm xử lý đúng mức và thải vào môi trường có thể là nguồn dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo… gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa, gây ra sự thiếu hụt oxy hòa tan trong nước;

NH3 hòa tan với nồng độ > 0.2 mg/l đã có thể gây chết cho nhiều loài cá và thủy sinh vật và là nguồn chất độc đối với hệ sinh thái xung quanh Như vậy việc tìm kiếm giải pháp cho việc xử lý nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao cũng như xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi heo ở điều kiện cụ thể của Việt Nam là một đòi hỏi hiện nay sao cho thỏa mãn các điều kiện kinh tế, kỹ thuật và bảo vệ môi trường

Thông thường để xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học thường trải qua các giai đoạn nitrate hóa và khử nitrate Tuy nhiên đối với nước rỉ rác, để nitrate hóa hoàn toàn

và khử nitrate với nồng độ nitơ cao đòi hỏi thời gian lưu nước trong hệ thống rất dài và chi phí bổ sung hóa chất, dinh dưỡng cho quá trình là rất lớn Đây là hạn chế của phương pháp xử lý nitơ truyền thống này

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

cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm đã được phát hiện Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium Trong đó ammonium được oxi hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành phân tử nitơ Sự phát hiện phản ứng anammox

đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với các nước thải

có hàm lượng nitơ cao

Hệ thống đệm bùn kỵ khí dòng hướng lên (UASB- upflow Anaerobic sludge Blanket) có khả năng duy trì một lượng sinh khối lớn trong hệ thống vì vậy cho phép thiết bị hoạt động với tải trọng cao Sinh khối trong UASB thưởng được phát triển thành các hạt hình cầu có đường kính từ 1-3mm nên có tên là bùn hạt Sinh khối anammox phát triển trên bùn hạt này là mong muốn để đạt được tải trọng cao trong việc xử lý nước thải giàu ammonium bằng quá trình anammox

1.2 Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu xử lý ammonium nồng độ cao trong nước thải chăn nuôi heo đã qua công đoạn xử lý BOD & COD, cụ thể là nghiên cứu các công việc sau:

(1) Tạo môi trường thích hợp cho vi khuẩn anammox phát triển trên chất mang là bùn hạt kỵ khí lấy từ bể UASB

(2) Đánh giá hiệu quả khử ammonium thông qua môi trường nước thải tổng hợp (3) Đánh giá hiệu quả khử ammonium trong nước thải chăn nuôi heo Từ đó đề xuất những ứng dụng

1.3 Phạm vi nghiên cứu

- Các thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh

- Tác nhân xử lý ammonium chủ yếu là vi khuẩn Anammox

- Nội dung đề tài chỉ đề cập đến việc nghiên cứu các điều kiện thích hợp trên mô hình phòng thí nghiệm và đề xuất những ứng dụng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO

2.1 MỞ ĐẦU

Sản phẩm từ chăn nuôi là một trong những loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao Thịt các vật động máu nóng như thịt heo, thịt bò, thịt gia cầm có chứa nhiều protein cần thiết, các chất béo, chất khoáng, vitamin và một số chất thơm Thịt là thức

ăn dễ chế biến dưới nhiều dạng món ăn ngon vì vậy nó là loại thực phẩm thường gặp hàng ngày trong bữa ăn của chúng ta

Cũng như các ngành công nghiệp khác, trong những năm gần đây, công nghiệp chăn nuôi của Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ Các sản phẩm chăn nuôi đã đáp ứng được phần nào nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu

Khi được sự khuyến khích, đầu tư của Đảng và Nhà nước, ngành công nghiệp chăn nuôi ở Việt Nam có đủ các điều kiện thuận lợi để phát triển Tuy nhiên, bên cạnh những đóng góp về mặt kinh tế, những sản phẩm dinh dưỡng cần thiết cho cuộc sống của con người, công nghiệp chăn nuôi cũng bộc lộ nhiều nhược điểm Các trại chăn nuôi với mặt bằng hạn hẹp, không đảm bảo các điều kiện về vệ sinh thú y và nhất là không xử lý chất thải trước khi thải ra môi trường gây ô nhiễm môi trường cho đất, nước, không khí Tại khu vực chăn nuôi mùi hôi sinh ra do quá trình phân hủy chất thải

đã làm ảnh hưởng đến môi trường sống xung quanh, chất lượng nước ngầm và nguồn nước thiên nhiên Các chất khí độc do quá trình bị phân hủy bởi các hợp chất hữu cơ có trong chất thải chăn nuôi như: Sunphuahydro, Mercaptan Metan, Amoniac… với nồng

độ cao các chất khí độc cao có thể gây ra tác hại không tốt cho cơ thể con người và vật nuôi Đặc biệt, nhiều hộ dân đã sử dụng nguồn nước thải chăn nuôi chứa nhiều VSV gây bệnh để tưới rau xanh gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người Ngoài ra, nước thải chăn nuôi không được xử lý sẽ trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc và lây bệnh sang cho người

Ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi heo đến môi trường là rất lớn, nhưng hầu hết các cơ sở chăn nuôi lớn, nhỏ đều chưa có hệ thống xử lý thích hợp và hoạt động có hiệu quả Nguyên nhân của việc trên một phần là do ý thức của nhà quản lý chưa coi việc xử lý chất thải là thật cần thiết Mặt khác ngành chăn nuôi là một ngành sản xuất không có lợi nhuận cao, chưa ổn định về cơ sở trang trại và chưa tìm được công nghệ

xử lý chất thải thích hợp

2.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CHĂN NUÔI HEO Ở VIỆT NAM

Từ khi chuyển dịch nền kinh tế từ tập trung quan liêu bao cấp sang nền kinh tế thị trường, ngành chăn nuôi không ngừng phát triển về tổng đàn gia súc và chất lượng gia súc Từ năm 1990 đến nay, đàn lợn có tốc độ phát triển tăng rất nhanh so với trước đó Vào năm 1980 tổng đàn lợn cả nước mới có 10,0 triệu con, năm 1990 có 12,26 triệu con (tăng 1,2 lần) thì năm 2000 chúng ta đã có 20,2 triệu con (tăng gấp 1,7 lần so với năm 1990) Đến 1/4/2006, tổng đàn lợn cả nước hiện có 27,39 triệu con, xấp xỉ đàn lợn thời điểm 1/8/2005 và tăng 5,3% so cùng kỳ năm trước, chủ yếu do tăng số hộ nuôi qui mô lớn Nhiều trang trại chăn nuôi ra đời với qui mô khác nhau, tập trung theo thế mạnh của từng vùng Sử dụng giống vật nuôi có năng suất và chất lượng cao phù hợp với thị hiếu của người tiêu dùng trong cả nước và thế giới Thức ăn sản xuất theo công nghiệp đảm bảo dinh dưỡng Vệ sinh chuồng trại, vệ sinh môi trường, quản lý chăm sóc đàn, quy trình phòng bệnh, … đã được chú trọng hơn

Bảng 2.1 Phân bố chăn nuôi lợn theo các vùng

Tổng số (con) Nái (con) Thịt (con)

Sản lượng thịt lợn (con)

Cả nước 23.169.532 3.262.117 19.804.776 1.653.595

Miền Bắc 14.935.269 2.174.915 12.701.257 929.553

ĐB Sông Hồng 5.396.580 907.536 4.497.812 456.841

ĐB Sông Cửu Long 3.151.471 397.667 2.738.466 349.291

Nguồn : Số liệu thống kê 1.10.2001

Trong năm 2002, giá trị sản xuất của ngành chăn nuôi đạt mức độ tăng trưởng 9,9% Tỷ trọng của ngành chăn nuôi tăng từ mức 17,9% trong toàn ngành nông nghiệp lên mức xấp xỉ 19,5% trong năm 2001 Trong giai đoạn 2006-2015, ngành chăn nuôi

sẽ phát triển theo hướng tập trung, công nghiệp quy mô vừa và lớn, có năng suất, chất lượng, hiệu quả và sức cạnh tranh cao; bảo đảm vệ sinh thú y, nuôi trồng và an toàn vệ sinh thực phẩm Ngành phấn đấu đến 2010 đạt 30% tỷ trọng chăn nuôi trong nông nghiệp, và 2015 là 35%

Hình 2.1 Tỷ trọng của chăn nuôi trong nông nghiệp (Đơn vị: %)

Ngành chăn nuôi từng bước đã trở thành một ngành hàng sản xuất chiếm vị trí rất quan trọng trong nông nghiệp

Hàng chục nghìn trang trại chăn nuôi bò sữa, bò thịt, gia cầm, lợn nái, lợn thịt đã phát triển trong những năm gần đây, góp phần chuyển đổi cơ cấu trong nông nghiệp và mang lại hiệu quả tương đối cao Chất lượng gia súc, gia cầm được nâng cao đã dần dần đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong toàn xã hội Ngành chăn nuôi hiện nay đang

có một tiềm năng về thị trường tiêu thụ rất lớn trong nước và thế giới

Việc phát triển mạnh ngành chăn nuôi cũng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các ngành công nghiệp khác liên quan như công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, công nghiệp chế biến thực phẩm và do vậy góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp

2.3 THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO

2.3.1 Thành phần của chất thải từ việc chăn nuôi

Bảng 2.2 Lượng phân thải ra hàng ngày của một số loại heo

Loại Lượng phân (kg/ngày) Heo dưới 10 kg 0.5-1

Heo từ 15-45 kg 1-3

Heo từ 45-100kg 3-5

Nguồn: Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994

Thành phần của phân:

- Những chất không tiêu hóa được hoặc những chất thoát khỏi sự tiêu hóa của vi sinh vật hay các men tiêu hóa (chất xơ, protein không tiêu hóa được), acid amin thoát khỏi sự hấp thu (được thải qua nước tiểu: acid uric ở gia cầm, ure ở gia súc)

- Các khoáng chất cơ thể không sử dụng được K2O, P2O5, CaO, MgO,

- Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa: trypsin, pepsin,

- Các mô tróc ra từ niêm mạc của ống tiêu hóa và chất nhờn theo phân ra ngoài

- Các VSV bị nhiễm trong thức ăn, ruột: virus, vi trùng, ấu trùng, trứng giun sán, bị tống ra ngoài

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của phân

Thành phần hóa học (% trọng lượng khô) Loại gia súc

Chất tan dễ tiêu Nitơ Phospho C/N

Bảng 2.4 Lượng nước tiểu thải ra hàng ngày

Loại Lượng nước tiểu (kg/ngày) Heo dưới 10 kg 0.3-0.7

Heo từ 15-45 kg 0.7-2

Heo từ 45-100 kg 2-4

Nguồn: Nguyễn Thị Hoa Lý, 1994

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của nước tiểu heo

Đặc tính Đơn vị Giá trị Vật chất khô g/kg 30.9-35.9

Nguồn: Nguyễn Thanh Cảnh và ctv, 1997-1998

2.3.1.3 Nước phân chuồng

Nước phân chuồng là nước từ các đống phân chảy ra, phần lớn là nước tiểu gia súc hòa lẫn nhiều chất hòa tan của phân đặc và có chứa thêm một lượng nước rửa chuồng

Nước phân chuồng rất giàu dinh dưỡng, dễ tiêu và có giá trị lớn về mặt phân bón Nước phân chuồng nghèo lân, giàu đạm và kali Đạm trong nước phân chuồng ở 3 dạng chủ yếu: urê, axit uric và axit hippuric Khi để ngỏ một thời gian hay bón vào đất thì bị VSV phân giải: axit uric và axit hippuric chuyển thành urê và urê chuyển thành amôn cacbonat

Trong nước thải, hợp chất hữu cơ chiếm 70÷80% gồm cenllulose, protit, axit amin, chất béo, hydrat carbon và các dẫn xuất của chúng Hầu hết các chất hữu cơ dễ

phân hủy, các chất vô cơ chiếm 20÷30% gồm cát, đất, muối, urê, amonium, muối

chlorua, SO4, Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí sẽ cho

các sản phẩm CO2, H2O, NO2-, NO3-, còn trong quá trình kị khí là CH4, N2, NH3, H2S,

2.3.2 Tính chất của nước thải chăn nuôi heo

Nước thải chăn nuôi heo có những ưu điểm đáng chú ý sau:

- Thành phần các chất thải hữu cơ (chất rắn, bùn, nước) tương đối ổn định

- Có thể thu nhận được khí sinh học dùng làm nguồn cung cấp năng lượng

- Chất thải rắn thu gom được là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất phân

bón chất hữu cơ

- Tuyệt đại đa số mầm bệnh: vi khuẩn, nấm mốc, trứng giun sán bị tiêu

diệt gần như hoàn toàn

- Xử lý sâu hơn sẽ thu nhận được nguồn nước sạch có thể tái sử dụng

Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi heo dao động đáng kể

tùy thuộc khối lượng nước dùng để vệ sinh chuồng trại, có hoặc không thu gom phân

trước khi tắm heo, rửa chuồng Tuỳ thuộc từng cơ sở chăn nuôi mà thành phần nước

9 N-NO2 mg/l 0-5

Nguồn: Lê Công Nhất Phương, 2007

Nhìn chung, nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải của các ngành công nghiệp khác nhưng chứa nhiều ấu trùng, vi trùng, trứng giun sán

Điển hình là nhóm vi trùng đường ruột với các genus như E.Coli, Salmonella, Shigella, Proteus, Arizona Theo nghiên cứu của A.Kigirov (1982), Nanxena (1978) và Bonde (1967): vi trùng gây bệnh đóng dấu cho lợn tồn tại trong nước thải 92 ngày, Brucella từ 74÷108 ngày, Salmonella từ 3÷6 tháng, Leptospira 3÷5 tháng, Virus FMD tồn tại trong nước thải 2÷3 tháng Các loại vi trùng có nha bào như Bacillus anthracis tồn tại 10 năm (gần đây có tài liệu đến 20 năm), B.tetani tồn tại có khả năng gây bệnh 3÷4 năm

Trứng giun sán trong nước thải với những loại điển hình là Fasiola hepatica, Fasiolagigantiac, Fasiolosis buski, Ascasis suum, Oesophagostomum và Trichocephalus dentatus, có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6÷28 ngày

ở nhiệt độ và khí hậu nước ta và có thể tồn tại được 2÷5 tháng

Nhiều loại mầm bệnh có khả năng xâm nhập vào mạch nước ngầm như B.anthracis, Salmonella, E.Coli,

2.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO

Nước thải chăn nuôi heo nếu không được xử lý và quản lý ngiêm ngặt có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa đối với nước mặt, ô nhiễm NH3, kim loại nặng và các loại kí sinh trùng, vi trùng (như E.Coli, Salmonella, Cryptospridium, Giardia, Cholera, Streptococus, ) Hiện tượng phú dưỡng hóa là sự phát triển quá mức của tảo do dư

Nitơ, Phospho làm cho các vi khuẩn phân hủy rong tảo cũng phát triển, sử dụng oxi trong nước làm cạn kiệt nguồn oxi một cách nhanh chóng và khi chết chúng tạo ra mùi khó chịu cho nước Khi quá trình oxi hóa bị ngưng lại, các vi khuẩn kị khí có sẵn trong nguồn nước thải sẽ phân hủy kị khí các chất hữu cơ tạo thành CH4, CO2, H2S, Cũng chính môi trường này, một số loại sinh vật không tồn tại sự sống như cá, ếch, nhái, nếu lượng nước này được xả trực tiếp ra mạng lưới thoát nước sẽ gây mùi hôi thối, gây ô nhiễm nước mặt và ít nhiều làm ảnh hưởng đến mạch nước ngầm Chất

NH4+, sau một quá trình chuyển hóa, tạo NO3- trong nước NO3- tồn tại trong đất với một lượng cao có thể ngấm qua đất để vào nước ngầm Nước có nồng độ NO3- cao có khả năng gây tử vong cho trẻ sơ sinh dưới 6 tháng tuổi

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo, tuy nhiên mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định

2.4.1 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên

Dựa trên khả năng tự làm sạch sinh học trong môi trường đất và hồ nước

Bao gồm các phương pháp: phương pháp cánh đồng tưới, phương pháp cánh đồng lọc, ao sinh học

2.4.2 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo

2.4.2.1 Điều kiện hiếu khí

Bể phản ứng Aerotank:

Quá trình chuyển hóa vật chất trong bể dựa trên hoạt động sống của các VSV hiếu khí Các VSV trong bể aerotank tồn tại ở dạng huyền phù Các huyền phù VSV có xu hướng lắng đọng xuống đáy, do đó việc khuấy trộn các dung dịch trong bể là điều cần thiết

Ưu điểm:

- Đạt được mức độ xử lý triệt để,

- Thời gian khởi động ngắn,

- Ít tạo mùi hôi,

- Có tính ổn định cao trong quá trình xử lý

Nhược điểm: tốn nhiều năng lượng

Bể phản ứng theo mẻ SBR:

Ưu điểm:

- Hiệu quả khử Nitơ, Phospho cao

- Tiết kiệm diện tích đất xây dựng vì không cần xây dựng bể điều hòa, bể lắng I và lắng II

- Có thể kiểm soát hoạt động và thay đổi thời gian giữa các pha nhờ bộ điều khiển PLC; pha lắng được thực hiện trong điều kiện tĩnh hoàn toàn nên hiệu quả lắng tốt

Nhược điểm:

- Chi phí của hệ thống cao,

- Người vận hành phải có kỹ năng tốt,

- Đạt được hiệu quả xử lý cao khi lưu lượng nhỏ hơn 500m3/ngày đêm 2.4.2.2 Điều kiện kị khí

Bể lọc kị khí:

Là loại bể kín, phía trong chứa vật liệu lọc đóng vai trò như giá thể của VSV dính bám

Vật liệu lọc của bể lọc kị khí là các loại cuội, sỏi, than đá, xỉ, ống nhựa, tấm nhựa hình dạng khác nhau Nước thải có thể được cung cấp từ trên xuống hoặc từ dưới lên

Bể lọc kị khí có khả năng khử được 70÷90% BOD

Ưu điểm :

- Khả năng khử BOD cao,

- Thời gian lọc ngắn,

- VSV dễ thích nghi với nước thải,

- Vận hành đơn giản, ít tốn năng lượng,

- Thể tích của hệ thống xử lý nhỏ

Nhược điểm:

- Thường hay bị tắc nghẽn,

- Giá thành của vật liệu lọc khá cao,

- Hàm lượng cặn lơ lửng ra khỏi bể lớn,

- Thời gian đưa công trình vào hoạt động dài

Bể lọc ngược qua tầng bùn kị khí UASB:

Nước thải được nạp vào từ dưới đáy hệ thống, đi xuyên qua lớp bùn đặc và thảm bùn rồi đi lên trên và ra ngoài Khi tiếp xúc với những hạt bùn kết bông ở thảm bùn, vi khuẩn sẽ xử lý chất hữu cơ và chất rắn sẽ được giữ lại Khí và các chất rắn lơ lửng được tách ra từ nước thải được xử lý bởi thiết bị tách gas và chất rắn trong hệ thống Các hạt bùn sẽ lắng xuống thảm bùn và định kì được xả ra ngoài

Ưu điểm:

- Hiệu quả xử lý cao

- Thời gian lưu nước trong bể ngắn

- Thu được khí CH4 phục vụ cho nhu cầu về năng lượng

- Cấu tạo bể đơn giản, dễ vận hành

- Năng lượng phục vụ vận hành bể ít

Nhược điểm:

- Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn,

- Các hạt bùn thường không ổn định và rất dễ bị phá vỡ khi có sự thay đổi môi trường

Bể khí sinh học (Biogas): hay còn gọi là bể Metan

Ưu điểm:

- Kích thước bể metan có thể thay đổi tùy trường hợp: có kích thước nhỏ ở

hộ gia đình hay kích thước lớn ở các trại chăn nuôi heo công nghiệp

- Khí mêtan sinh ra được coi là nguồn năng lượng quan trọng: nó có thể thay thế than, kể cả nhu cầu điện khí hóa ở các vùng nông thôn

- Sử dụng các chất thải và các phụ phẩm trong nông nghiệp (rơm, rạ, )

- Phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, ổn định, các hợp chất chứa Nitơ, phospho, kali là những chất có thể tái sử dụng ngay làm phân bón trong trồng trọt

- Giảm khoảng 90% kí sinh trùng và các VSV gây bệnh cho người, gia súc nhờ thời gian lưu trữ lâu

- Giúp khử mùi khó chịu của chất thải

Nhược điểm:

- Tuổi thọ của bể ngắn,

- Hiệu quả xử lý BOD thấp,

- Phần cặn còn chứa nhiều nước rất khó vận chuyển hay sự ổn định của chất lượng hỗn hợp khí mêtan

2.4.3 Giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi

Sơ đồ 1:

Phân - nước thải

Bể điều tiết

Tách chất rắn bằng thùng quay

Ép xoắn tách nước

Làm phân bón

Nguồn tiếp nhận

Bùn

Sân phơi bùn

Làm phân bón

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH NITƠ, NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX, HẠT SINH KHỐI ANAMMOX

3.1 TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH NITƠ

Nitơ là một trong các nguyên tố chính của sự sống, là thành phần của protein và acid nucleic trong tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật Trong không khí, nitơ chiếm khoảng 78,16% theo thể tích hoặc 75,5% theo trọng lượng Chu trình Nitơ được mô tả qua 5 giai đoạn: cố định Nitơ, đồng hoá Nitơ, khoáng hoá Nitơ, nitrat hoá và khử nitrat hoá [6]

3.1.1 Sự cố định nitơ

Quá trình khử Nitơ bằng con đường hoá học đòi hỏi rất nhiều năng lượng và đắt tiền Có một số tảo và vi khuẩn có khả năng khử Nitơ bằng con đường sinh học, hay nói cách khác là những vi sinh vật trên có khả năng cố định Nitơ, sản phẩm của quá trình này là NH3 Có hai loại vi vật cố định Nitơ, đó là:

- Vi sinh vật cố định Nitơ không cộng sinh: bao gồm Azotobacter (A agilis, A

chroococcum, A vinelandii), đây là các vi khuẩn gram âm, có nang, cố định Nitơ trong đất và trong các môi trường khác; Klebsiella, Clostridium là các loại vi khuẩn kỵ khí, tạo bào tử, có mặt trong bùn lắng; và các vi khuẩn lam như Anabaena, Nostoc, nhóm này cố định Nitơ trong đất và nước, tốc độ cố định cố định Nitơ của chúng cao gấp 10 lần các vi sinh vật cố định Nitơ sống tự do trong đất Vị trí cố định Nitơ của vi khuẩn lam là một tế bào đặc biệt gọi là dị bào Đôi khi vi khuẩn lam có các dạng kết hợp với các thực vật nước như Anabaena-Azolla

- Vi sinh vật cố định Nitơ cộng sinh: đó là các vi khuẩn nốt sần cộng sinh với cây

họ đậu

3.1.2 Sự đồng hoá Nitơ

Các vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng sử dụng nitrat và đồng hoá chúng thành amôn Trong các công trình xử lý nước thải, sự đồng hoá Nitơ chịu trách nhiệm loại bỏ

Nitơ Các tế bào thực vật và tảo thích sử dụng Nitơ ở dạng amôn Trong đất, các phân bón có amôn sẽ được ưa thích hơn là phân bón nitrat Tế bào sẽ chuyển hoá nitrat hoặc amôn thành protein và tăng trưỏng cho đến khi Nitơ trở thành yếu tố giới hạn

3.1.3 Sự khoáng hóa Nitơ

Sự khoáng hoá Nitơ là sự chuyển hoá các hợp chất Nitơ hữu cơ tạo thành các dạng vô cơ Quá trình này được thực hiện bởi rất nhiều loại vi sinh vật (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm) Trong đất, một số hợp chất Nitơ hữu cơ bền vững đối với phân hủy sinh học bởi vì chúng là các phức hợp với phenol hoặc polyphenol Các protein được khoáng hoá đến amôn theo trình tự sau:

Protein → acid amin → khử amin đến amôn

Protein được chuyển thành peptid hoặc acid amin bởi các enzym proteolytic ngoại bào Amôn được tạo bởi quá trình khử amin sau:

Amino acid + O2 Æ keto acid + NH4+ (2.1)

Amino acid + H+ Æ acid + NH4+ (2.2)

Amôn ưu thế trong các môi trường nước trung tính và acid yếu Khi pH tăng, NH3

sẽ ưu thế và được giải phóng vào không khí:

NH4+ Æ NH3 + H+ (2.3)

3.1.4 Quá trình nitrat hoá

Sự nitrat hoá là sự chuyển hoá amôn thành nitrat bởi hoạt động của vi sinh vật Quá trình này được thực hiện bởi 2 loại vi sinh vật

- Chuyển hoá amôn thành nitrit: Nitrosomonas (N europasa, N, oigocarbogenes)

oxy hoá amôn đến nitrit thông qua hydroxyamin NH2OH Một số vi sinh vật khác oxy hoá NH4+ là Nitrosopira, Nitrosococcus, và Nitrosolobus

2 NH4+ + O2 Æ 2 NH2OH + 2 H+ (2.4)

NH4+ + 1,5 O2 Æ NO2 + 2 H+ + H2O + 275 KJ (2.5)

- Chuyển hoá nitrit thành nitrat: Nitrobacter (N agilis, N winogradski) chuyển hoá

nitrit thành nitrat

NO2- + ½ O2 Æ NO3- + 75 KJ (2.6) Những vi khuẩn khác oxy hoá amôn thành nitrit và sau đó nitrat là quá trình tạo ra năng lượng Vi sinh vật sử dụng năng lượng này để đồng hoá CO2, HCO3-, CO32-. Sự hiện diện của oxy và lượng kiềm là để trung hoà ion H+ trong quá trình oxy hoá sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hoá Đối với vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, ái lực của chúng đối với oxy vẫn thấp hơn vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí pH tối ưu cho sự tăng trưởng của Nitrobacter trong khoảng 7,2 - 7,8

Sự tạo thành acid của quá trình nitrat hoá có thể gây vấn đề cho khả năng đệm kém của nước thải Mặc dù vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá có rất nhiều trong tự nhiên, sự nitrat hoá cũng có thể thực hiện được bởi vi khuẩn dị dưỡng (như Anthrobacter) và nấm (như Aspergillus) Những vi sinh này sử dụng nguồn cacbon hữu cơ và oxy hoá amôn đến nitrat Tuy nhiên, sự nitrat hoá dị dưỡng thì chậm hơn nhiều so với nitrat hoá

tự dưỡng

Các yếu tố kiểm soát quá trình nitrat hoá:

Có một số yếu tố kiểm soát quá trình nitrat hoá trong các công trình xử lý nước thải Đó là nồng độ amôn/nitrit, nồng độ oxy, pH, nhiệt độ, và sự hiện diện của các

NH3 + O2 Æ NO3- + H+ + H2O (2.7)

- Nhiệt độ: tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrat hoá bị ảnh hưởng bởi

nhiệt độ thích hợp trong khoảng 8 - 300C Nhiệt độ tối ưu cho quá trình vào

khoảng 300C

- pH: tối ưu cho vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter nằm trong khoảng

pH = 7,5 - 8,5 Quá trình nitrat hoá ngừng lại ở pH thấp hơn 6 Độ bazơ bị phá

vỡ là kết quả của sự oxy hoá amôn bởi vi khuẩn nitrat hoá

- Sự ức chế của các chất độc hại: quá trình nitrat hoá khá nhạy cảm với

một vài hợp chất độc có trong nước thải Những chất này gây độc cho vi khuẩn

Nitrosomonas nhiều hơn là với Nitrobacter Các hợp chất hữu cơ trong nước

thải không gây độc trực tiếp cho các vi khuẩn nitrat hoá Sự ức chế của các hợp

chất hữu cơ có thể làm suy giảm oxy do các vi khuẩn dị dưỡng Các hợp chất

gây độc nhất cho vi khuẩn nitrat hoá là cyanide, aniline, phenol, và các kim loại

năng (như Ag, Hg, Cr, Cu, Zn, )

Bảng 3.1 Các điều kiện tối ưu cho quá trình nitrat hoá

Điều kiện Thông số thiết kế

-Khoảng pH cho phép (95% nitrat hoá)

-Nhiệt độ cho phép (95% nitrat hoá), 0C

-Nhiệt độ tối ưu ước tính, 0C

-Oxy hoà tan ở lưu lượng tối đa, mg/L

-Kim loại nặng ức chế quá trình nitrat hoá (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb,

Nguồn: Lâm Minh Triết – giáo trình vi sinh môi trường

3.1.5 Sự khử nitrat hoá

Quá trình nitrat hoá mang nhu cầu oxy cho nguồn tiếp nhận nước Do đó nitrat hoá phải được loại bỏ trước khi chúng được thải vào nguồn tiếp nhận, đặc biệt đối với các nguồn nước uống Hai cơ chế quan trọng nhất của sự khử nitrat sinh học là khử nitrat đồng hoá và khử nitrat dị hoá

Khử nitrat đồng hoá:

Bằng cơ chế này nitrat được chuyển thành nitrit và NH4+ do vi sinh vật và thực vật Chúng chứa các enzym chuyển NO3 Æ NH3, mà sau đó tạo thành các protein và acid nucleic Khử nitrat được thực hiện bởi nhiều enzym khử nitrat đồng hoá, mà hoạt tính của chúng không bị ảnh hưởng bởi oxy

Khử nitrat dị hoá:

Đây là quá trình hô hấp kỵ khí mà NO3- là chất nhận điện tử NO3- được khử đến

N2O (oxyt nitơ) và N2 (nitơ khí) Sự giải phóng N2 là sản phẩm ưu thế của quá trình denitrification Khử nitrat dị hoá được thực hiện theo trình tự sau đây:

Nitrat reductase Nitrit reductase Nitrit oxid reductase Nitrit oxid reductase

NO3 -> NO2 -> NO -> N2O -> N2

Các vi khuẩn khử nitrat có thể là quang dưỡng (phototroph), hoặc hoá dưỡng vô

cơ (lithotroph) hoặc hoá dưỡng hữu cơ (organotroph) và có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau (hợp chất vô cơ/ hữu cơ hoặc ánh sáng)

Vi sinh vật có khả năng khử nitat hoá gồm các giống sau đây: Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, chúng thường được tìm thấy trong nước, đất và nước thải

Các yếu tố kiểm soát quá trình khử nitrat hoá:

- Nồng độ nitrat: vì nitrat là chất nhận điện tử của vi khuẩn khử nitrat, nên tốc độ denitrification phụ thuộc vào nồng độ nitrat theo kiểu động học Monod

- Các điều kiện không có oxy: oxy cạnh tranh hiệu quả với nitrat như chấp nhận

điện tử của hô hấp Sự oxy hoá glucose giải phóng nhiều năng lượng hơn trong sự hiện

diện của oxy (686 Kcal/ mol glucose) hơn là trong sự hiện diện của nitrat (571 Kcal/

mol glucose) Đó là lý do tại sao sự khử nitrat hoá phải được tiến hành trong điều kiện

kỵ khí

- Sự hiện diện của chất hữu cơ: Vi khuẩn khử nitrat phải có chất nhận điện tử để

thực hiện quá trình khử nitrat Một vài nguồn chất nhận điện tử được đề nghị và nghiên

cứu Các môi trường tinh khiết (có acid acetic, acid citric, metanol), nước thải sinh hoạt

, nước thải công nghiệp thực phẩm (bia, đường mật) và bùn

- pH: đối với nước thải, quá trình nitrat hoá hiệu quả nhất ở pH từ 7,0 - 8,5 và pH

tối ưu khoảng 7,0 Độ kiềm và độ pH sẽ tăng theo quá trình khử nitrat hoá

- Nhiệt độ: quá trình nitrat hoá có thể xảy ra trong khoang 35 - 500C Quá trình

này có thể diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn từ 5 - 100C, nhưng với tốc độ chậm hơn

- Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng: quá trình khử nitrat hoá được kích thích

trong sự có mặt của Se và Mo, chúng hoạt động tạo ra formate dehydrogenase, một

trong những enzym phức tạp nhất trong sự trao đổi chất của methanol Mo còn là

nguyên tố chủ yếu trong việc tổng hợp nitrat reductase

- Các hoá chất độc hại: vi khuẩn khử nitrat hoá ít nhạy cảm với hoá chất độc hại

hơn là vi khuẩn nitrat hoá

Bảng 3.2 Tóm tắt quá trình loại bỏ nitơ bởi các nghiên cứu công nghệ sinh học

STT Phản ứng Quá trình Vi khuẩn Tác giả

No (physical process)

Henze et al (2002)

+CO 2 +1.5H 2 O

Partial nitritation oxidizing bacteria Ammonium-

9a NH 4 +

+NO 2

-→ N 2 +2H 2 O Anammox

(without cell synthesis)

+ 0.066CH 2 O 0.5 N 0.15 +2.03H 2 O

Anammox (with cell synthesis) Planctomycetales

Bacteria

4+5+6+7 4NH 4 +

+8O 2 +5C+4HCO 3

-→ 2N 2 +9CO 2 +10H 2 O

Traditional nitrogen removal

Bacteria

Rittmann and McCarty (2001); Henze et al (2002)

3.2 TỔNG QUAN VỀ NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX

3.2.1 Giới thiệu

Đối với nhiều loại nước thải có hàm lượng chất dinh dưỡng chính (N,P) ở mức

độ trung bình và cao thì việc xử lý để loại bỏ chúng trước khi xả thải vào môi trường đang là nhu cầu bức thiết hiện nay Nguy cơ tác động lớn nhất khi thải nước giàu N, P thải vào các thuỷ vực là hiện tượng phú dưỡng

Các hệ thống xử lý nuớc thải bậc hai thông thường được thiết kế để loại bỏ các chất hữu cơ (được đánh giá qua các thông số BOD5, COD) và thường chỉ loại được một phần nitơ Do vậy việc loại bỏ nitơ thường được tiến hành ở giai đoạn xử lý tiếp theo – tức xử lý ở giai đoạn bậc cao Công nghệ sinh học truyền thống để xử lý nitơ lâu nay là dựa vào sự kết hợp của hai quá trình nitrat hóa (nitrification) và khử nitrat hóa (denitrification) Tuy nhiên công nghệ xử lý truyền thống này có những hạn chế nhất định và sự cải tiến công nghệ xử lý nitơ đã được quan tâm từ những thập niên cuối thế

kỷ XX

Gần đây người ta đã chứng minh được rằng có sự oxi hóa ammonium thành khí nitơ thông qua nitrit bởi một loại vi khuẩn kỵ khí được tìm thấy ở biển đen Bằng những kỹ thuật phân tích vi sinh vật hiện đại đã xác định được vi khuẩn Anammox

(ANaerobic AMMonium OXidation), đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium

Trong đó amonium được oxi hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử Sự phát hiện ra phản ứng anammox đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao

3.2.2 Sự phát hiện phản ứng Anammox

Thật ra phản ứng anammox đã được dự báo từ trước khi phát hiện ra nó Trên cơ

sở tính toán nhiệt động học, Broda đã dự báo về sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng

có khả năng oxi hóa ammonium bởi nitrat, nitrit và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxi hóa bởi oxy phân tử

NH4+ + NO2- Æ N2 + 2H2O Go = -375 Kj/mol (2.8)

5NH4+ + 3NO3- Æ 4N2 + 9H2O + 2H+ Go = -297 Kj/mol (2.9)

NH4+ +1.5 O2 Æ NO2- + 2H2O + 2H+ Go = -275 Kj/mol (2.10) Mãi 17 năm sau bằng chứng thực tế đầu tiên của phản ứng anammox mới được phát hiện ở một bể khử nitrat dùng để xử lý nước lắng của bể phân hủy bùn tại Gist-brocades (delft, Hà Lan) Qua theo dõi sự cân bằng nitơ các tác giả đã thấy sự giảm đồng thời nồng độ amonium và nồng độ nitrat, nitrit cùng với sự tạo thành nitơ trong điều kiện kỵ khí

Nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Kỹ thuật Deft (TU-Deft) sau đó đã tiến hành các nghiên cứu mô tả và xác nhận ban đầu về quá trình anammox Theo đó, anammox được xác định là một quá trình sinh học, trong đó amonium được oxy hoá trong điều kiện kỵ khí quá trình anammox

Tiếo theo đó phản ứng anammox đã lần lượt được phát hiện và nhận dạng tại các

hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà khoa học trên thế giới Từ việc phát hiện phản ứng, các nhà khoa học đã đi đến việc tìm kiếm vi khuẩn anammox tại các hệ sinh thái

tự nhiên và đã bổ xung được một mắt xích mới trong chu trình chuyển hoá nitơ được ghi nhận trước đây

Hình 3.1 Chu trình nitơ mới có thêm mắt xích Anammox