Đề tài Nghiên cứu quá trình chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn nuôi heo bằng việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)

1. Ñaët Vaán Ñeà Trong caùc ngaønh coâng nghieäp, trong ñoù coù ngaønh chaên nuoâi haøng naêm tieâu thuï moät löôïng nöôùc raát lôùn. Töø ñoù thaûi ra moät löôïng nöôùc thaûi raát lôùn coù noàng ñoä ammonium khaù cao. Vieäc xaû boû N - ammonium vaøo moâi tröôøng laø moät trong nhöõng nguyeân nhaân chính gaây neân hieän töôïng phuù döôõng hoùa nguoàn nöôùc, daãn ñeán oâ nhieãm vaø maát caân baèng sinh thaùi. Vì vaäy vieäc nghieân cöùu öùng duïng caùc quaù trình khöû ammonium trong caùc loaïi nöôùc thaûi giaøu nitô mang moät yù nghóa thöïc tieãn cao. Ôû nöôùc ta, coâng taùc xöû lyù nöôùc thaûi thöôøng chæ chuù troïng ñeán vieäc loaïi boû COD, BOD maø chöa quan taâm ñuùng möùc ñoái vôùi chæ tieâu oâ nhieãm ammonium. Taïi TP. Hoà Chí Minh chæ coù moät soá ít caùc cô sôû, xí nghieäp chaên nuoâi coù trang bò heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi vaø haàu heát laø thaûi boû ra caùc keânh raïch, soâng suoái... Khaùm phaù caùc loaïi vi sinh vaät môùi nhaèm tìm ra caùc phöông phaùp môùi ñeå khöû ammonium trong nöôùc thaûi töø laâu ñaõ ñöôïc nghieân cöùu treân theá giôùi. ÖÙng duïng quaù trình Nitrification –Anammox ñeå xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp ñang laø ñeà taøi haáp daãn caùc nhaø sinh vaät hoïc vaø moâi tröôøng hoïc. ÔÛ Vieät Nam, ngaønh coâng ngheä moâi tröôøng tuy vaãn coøn non treû, nhöng vôùi söï quan taâm ñaëc bieät cuûa nhaø nöôùc neân trong nhöõng naêm gaàn ñaây ñaõ coù nhöõng tieán boä ñaùng keå trong coâng taùc nghieân cöùu vaø öùng duïng caùc tieán boä khoa hoïc kyõ thuaät vaøo coâng ngheä xöû lyù nöôùc thaûi baûo veä moâi tröôøng. Chính vì nhöõng lyù do treân maø vieäc nghieân cöùu öùng duïng quaù trình Nitrification – Anammox, laø quaù trình khöû ammonium baèng vi sinh vaät hieáu khí- kî khí trong nöôùc thaûi ngaønh chaên nuoâi ñeå cho saûn phaåm cuoái cuøng laø khí nitô, moät loaïi khí ñöôïc xem nhö voâ haïi ñoái vôùi moâi tröôøng, seõ môû ra moät höôùng ñi môùi khoâng nhöõng mang yù nghóa veà maët khoa hoïc, hôn theá nöõa noù coøn phuø hôïp vôùi quan ñieåm phaùt trieån beàn vöõng hieän nay, ñoù laø taêng tröôûng kinh teá phaûi ñi ñoâi vôùi baûo veä moâi tröôøng. 2. Muïc Tieâu Nghieân Cöùu Nghieân cöùu quaù trình chuyeån ñoåi ammonium trong nöôùc thaûi chaên nuoâi heo baèng vieäc öùng duïng quaù trình Nitrification vaø Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) 3. Noäi Dung Nghieân Cöùu Khaûo saùt thaønh phaàn vaø tính chaát cuûa buøn thaûi ñöôïc laáy töø beå laéng (buøn hieáu khí) vaø töø beå kî khí (buøn kî khí) cuûa heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi chaên nuoâi heo (Xí nghieäp heo gioáng Ñoâng AÙ, huyeän Dó An, tænh Bình Döông) Nghieân cöùu ñieàu kieän moâi tröôøng thích hôïp ñeå vi khuaån Nitrosomonas, Nitrobacter vaø Anammox trong buøn thaûi phaùt trieån toát. Thieát keá, laép ñaët vaø vaän haønh moâ hình. Phaân tích caùc chæ tieâu N-NH4 , N-NO2 , N-NO3 , COD , P-PO4 , Fe , PH , SS, DO ….cuûa nöôùc thaûi ñaàu vaøo vaø ñaàu ra. Ñaùnh giaù hieäu quaû cuûa quaù trình xöû lyù trong caùc ñieàu kieän khaùc nhau. Ñeà xuaát xaây döïng coâng ngheä thích hôïp ñeå xöû lyù ammonium cho ngaønh chaên nuoâi heo. 4. Phöông Phaùp Nghieân Cöùu Caùch Tieáp Caän Nghieân cöùu taøi lieäu lieân quan ñeán hieân traïng xöû lyù nöôùc thaûi cuûa caùc cô sôû, xí nghieäp chaên nuoâi heo ôû Vieät Nam Khaûo saùt söï bieán ñoäng veà thaønh phaàn vaø tính chaát cuûa nöôùc thaûi chaên nuoâi heo. Nghieân cöùu taøi lieäu lieân quan ñeán cô sôû lyù thuyeát vaø cô sôû thöc tieãn cuûa quaù trình Nitrification vaø Anammox trong vaø ngoaøi nöôùc. Phöông Phaùp Nghieân Cöùu Taïo söï thích nghi cho caùc vi khuaån Nitrosomonas, Nitrobacter vaø Anammox trong moâi tröôøng chöùa buøn thaûi. Xaây döïng moâ hình, vaän haønh ôû caùc ñieäu kieän khaùc nhau. Phaân tích caùc chæ tieâu hoùa lyù trong phoøng thí nghieäm theo TCVN cuûa nöôùc thaûi ñaàu vaøo vaø ñaàu ra nhaèm oån ñònh caùc thoâng soá. Töø caùc thoâng soá ñöa ra quy trình xöû lyù thích hôïp. 5. Giôùi Haïn Ñeà Taøi Caùc thí nghieäm vaø vaän haønh moâ hình Pilot vôùi quy moâ 200 – 500 lít/ngaøy vaø thieát bò phaûn öùng gheùp SHARON – ANAMMOX ñöôïc thöïc hieän taïi Vieän Sinh Hoïc Nhieät Ñôùi Thaønh Phoá Hoà Chí Minh. Nöôùc thaûi ñöôïc laáy töø Xí nghieäp heo gioáng Ñoâng AÙ, huyeän Dó An, tænh Bình Döông. Noäi dung taäp trung vaøo vieäc öùng duïng quaù trình Nitrification vaø Anammox ñeå khöû ammonium trong nöôùc thaûi Xí nghieäp heo gioáng Ñoâng AÙ. Töø ñoù ñeà xuaát daây chuyeàn coâng ngheä thích hôïp ñeå khöû ammonium trong nöôùc thaûi chaên nuoâi heo. 6. Ñòa Ñieåm - Thôøi Gian Nghieân Cöùu Ñòa Ñieåm Ñeà taøi naøy ñöôïc thöïc hieän taïi Phoøng Coâng Ngheä Bieán Ñoåi Sinh Hoïc vaø Moâi Tröôøng thuoäc Vieän Sinh Hoïc Nhieät Ñôùi (Khu Thöïc Nghieäm Khoa Hoïc vaø Coâng Ngheä Thuû Ñöùc) Giôùi Thieäu Vieän Sinh Hoïc Nhieät Ñôùi Vieän Sinh Hoïc Nhieät Ñôùi ñöôïc thaønh laäp theo Nghò ñònh 24/CP cuûa Thuû Töôùng Chính Phuû Nuôùc CHXHCN Vieät Nam ngaøy 25/05/1993 vaø quyeát ñònh soá 22/KHCNQG, quyeát ñònh ngaøy 19/06/1993 cuûa Ban Giaùm Ñoác Trung taâm Khoa Hoïc Töï Nhieân vaø Coâng Ngheä Quoác Gia ñaõ ñuôïc Boä Khoa Hoïc Coâng Ngheä vaø Moâi Tröôøng caáp giaáy chöùng nhaän hoaït ñoäng Khoa Hoïc Coâng Ngheä soá 260 ngaøy 30/03/1994 Truï sôû chính cuûa vieän ñöôïc xaây döïng taïi Thuû Ñöùc vaø hoaøn thaønh vaøo cuoái naêm 1998. Vieän coù 11 phoøng ban, phaân vieän nghieân cöùu taïi Ñaø Laït coù 4 phoøng thí nghieäm chuyeân ngaønh baûo taøng ñoäng thöïc vaät Taây Nguyeân vaø ñôn vò nghieân cöùu trieån khai laø Lieân Hieäp Khoa Hoïc saûn xuaát thöïc nghieäm sinh-hoaù Vieän coù ñoäi nguõ caùn boä khoa hoïc goàm gaàn 107 ngöôøi trong ñoù coù 23 tieán só vaø phoù tieán só, coù 7 giaùo sö vaø phoù giaùo sö Vieän coù nhieäm vuï nghieân cöùu, öùng duïng vaø phaùt trieån caùc phöông phaùp sinh hoïc trong vieäc taïo vaø nhaân gioáng caây troàng, vaät nuoâi vaø vi sinh vaät ñoàng thôøi vieän cuõng coù nhieäm vuï phaân tích caùc chæ tieâu trong nöôùc thaûi, nöôùc uoáng, nöôùc sinh hoaït… Thôøi Gian Nghieân Cöùu Ñeà taøi ñöôïc thöïc hieän trong khoaûng thôøi gian töø 01/04/2006 ñeán 01/11/2006. 7. Yù Nghóa Cuûa Ñeà Taøi Yù Nghóa Khoa Hoïc Ñaây laø ñeà taøi môùi ñöôïc nghieân cöùu ôû Vieät Nam trong nhöõng naêm gaàn ñaây neân coù tính khoa hoïc cao nhaèm taïo cho nhöõng nghieân cöùu tieáp theo vaø khaû naêng öùng duïng kyõ thuaät sinh hoïc kî khí, hieáu khí vôùi vieäc söû duïng nhoùm vi khuaån Nitrosomonas, Nitrobacter vaø Anammox, ñeå xöû lyù nöôùc thaûi coù noàng ñoä ammonium cao. Caùc thoâng soá coâng ngheä thu ñöôïc töø thöïc nghieäm seõ taïo cô sôû ban ñaàu cho vieäc thieát keá quy trình coâng ngheä xöû lyù ammonium trong nöôùc thaûi chaên nuoâi heo. Vieäc öùng duïng quaù trình Nitrification vaø Anammox coù khaû naêng xöû lyù trieät ñeå nguoàn oâ nhieãm daïng nitô trong nöôùc thaûi, vì saûn phaåm cuoái cuøng cuûa quaù trình laø khí nitô ñöôïc coi laø voâ haïi ñoái vôùi heä sinh thaùi. YÙ Nghóa Thöïc Tieãn Söï thaønh coâng cuûa ñeà taøi môû ra khaû naêng öùng duïng trong xöû lyù nguoàn nöôùc thaûi giaøu ammonium hieäu quaû vaø tieát kieäm Vì quaù trình dieãn ra trong ñieàu kieän suïc khí coù giôùi haïn neân giaûm tieâu hao naêng löôïng moät caùch ñaùng keå. Maët khaùc khoâng caàn phaûi theâm chaát dinh döôõng neân coù theå tieát kieäm löôïng hoùa chaát lôùn Saûn phaån cuoái cuøng cuûa quaù trình laø khí nitô khoâng ñoäc haïi vôùi moâi tröôøng Tính Môùi Cuûa Ñeà Taøi Xaùc ñònh ñöôïc khaû naêng öùng duïng cuûa quaù trình Nitrification vaø Anammox ñeå khöû ammonium trong nöôùc thaûi chaên nuoâi heo Xaùc ñònh ñöôïc khaû naêng aùp duïng vaøo coâng ngheä xöû lyù nöôùc thaûi chaên nuoâi heo baèng öùng duïng phaûn öùng gheùp SHARON – ANAMMOX. 8. Tính Thöïc Teá Cuûa Ñeà Taøi Ñeà taøi nghieân cöùu naøy coù tính öùng duïng raát cao vì trong nöôùc thaûi ôû moät soá ngaønh coù noàng ñoä ammonium cao nhö: nöôùc thaûi chaên nuoâi heo, nöôùc thaûi ôû caùc nhaø maùy cheá bieán muû cao su, nöôùc ræ raùc, nöôùc thaûi nhaø maùy cheá bieán thuyû saûn…. 9. Nhu Caàu Kính Teá Xaõ Hoäi Phöông phaùp naøy ít toán keùm nhöng coù hieäu quaû xöû lyù cao hôn so vôùi nhöõng phöông phaùp xöû lyù hieän nay. CHƯƠNG I. TOÅNG QUAN TAØI LIEÄU TRONG NÖÔÙC – TỔNG QUAN CHUNG VỀ NƯỚC THẢI, NÖÔÙC THAÛI CHAÊN NUOÂI HEO Trong thôøi buoåi phaùt trieån neàn vaên minh nhaân loaïi, nhu caàu veà nöôùc ngaøy caøng taêng, do ñoù löôïng nöôùc thaûi ra ngaøy caøng nhieàu, möùc ñoä oâ nhieãm ngaøy caøng trôû neân traàm troïng. Nöôùc thaûi ñöa vaøo nöôùc beà maët nhöõng thaønh phaàn khaùc nhau, töø traïng thaùi tan, hoaëc döôùi daïng huyeàn phuø, hay nhuõ töông cho ñeán caùc loaïi vi khuaån. Do töông taùc hoaù hoïc cuûa caùc chaát ñoù, vaø cuõng do söï thay ñoåi pH cuûa moâi tröôøng neân caùc saûn phaåm thöù caáp ñöôïc hình thaønh chaúng haïn nhö quaù trình oxy hoaù muoái Fe2+ trong nöôùc thaønh muoái Fe3+ hydroxyt khoâng tan. Caùc chaát keát tuûa vaø huyeàn phuø trong nöôùc ngaên caûn söï phaùt trieån cuûa caùc loaïi vi khuaån tham gia vaøo quaù trình laøm saïch nöôùc. Caùc chaát huyeàn phuø ngaên caûn söï ñaâm xuyeân cuûa aùnh saùng maët trôøi xuoáng ñaùy nöôùc gaây haïn cheá quaù trình quang hôïp cuûa thöïc vaät nhaát laø nhöõng loaïi rong bieån nhôø vaøo aùnh saùng maët trôøi maø taïo ñöôïc löôïng oxy caàn thieát cho quaù trình oxy hoaù caùc chaát höõu cô. Moät soá chaát voâ cô vaø höõu cô tan trong nöôùc coù aûnh höôûng ñoäc haïi ñeán söï phaùt trieån cuûa vi sinh vaät, trong ñoù coù caû nhöõng hôïp chaát mang tính axit bazô vì chuùng laøm thay ñoåi pH trong nöôùc ( 6.8 < pH < 8.0 laøm haïn cheá söï phaùt trieån cuûa moät soá vi khuaån laøm saïch nöôùc)…[14],[15] Phaân tích nöôùc thaûi laø moät trong nhöõng nhieäm vuï khoù khaên vaø phöùc taïp nhaát cuûa ngaønh hoaù hoïc phaân tích vì nöôùc thaûi bao haøm nhieàu thaønh phaàn khaùc nhau vaø chöùa haøm löôïng töø thaáp ñeán cao. Moät trong nhöõng ñaëc tính cuûa nöôùc thaûi gaây khoù khaên trong phaân tích laø tính khoâng beàn do töông taùc hoaù hoïc phöùc taïp giöõa caùc hôïp phaàn bò bieán ñoåi khoâng ngöøng. Do ñoù trong quaù trình phaân tích phaûi thöïc hieän nhieàu laàn, choïn caùc phöông phaùp coù ñoä nhaïy, ñoä choïn loïc cao, vaø phaûi coù ñaàu oùc phaùn ñoaùn caùc thao taùc caùc quaù trình xaûy ra ñeå thu ñöôïc keát quaû chính xaùc. Sau ñaây laø moät soá chaát thaûi coù maët trong nöôùc thaûi cuûa moät soá ngaønh saûn xuaát coâng nghieäp.[1] Ñoà da: canxi, hydrosunfua, natrisunfua, crom, keõm. Ñoà goám: bari, cadimi, liti, mangan… Nhaø maùy sôn: bari, clorat, cadimi, coban, chì, keõm, amoni, xuùt, caùc chaát axit, caùc chaát höõu cô… Thuoác tröø saâu: ñoàng, bari, asen, silicflo, clo, moät soá chaát ñoäc höõu cô. Hoaù daàu: caùc acid, kim loaïi, clorua, sunfat, caùc chaát höõu cô… Coâng nghieäp chaên nuoâi: vi sinh, caùc hôïp chaát höõu cô, caùc vi truøng, COD, NO3-, NO-2, NH+4… I.1. Söï Nhieãm Baån Nguoàn Nöôùc Söï nhieãm baån nguoàn nöôùc coù theå xaûy ra baèng hai caùch: söï nhieãm baån töï nhieân vaø söï nhieãm baån nhaân taïo. [3],[8] Söï nhieãm baån töï nhieân laø do quaù trình phaùt trieån vaø cheát ñi cuûa caùc loaøi thöïc vaät, ñoäng vaät coù trong nguoàn nöôùc, hoaëc laø do nöôùc möa loâi theo caùc chaát baån töø treân maët ñaát chaûy vaøo nguoàn nöôùc. Söï nhieãm baãn nhaân taïo chuû yeáu laø do xaû nöôùc sinh hoaït vaø coâng nghieäp vaøo nguoàn nöôùc. Nguoàn nöôùc bò nhieãm baån coù theå ñaùnh giaù baèng caùc daáu hieäu ñaëc tröng sau ñaây. Coù xuaát hieän caùc chaát noåi treân beà maët nöôùc vaø caùc caën laéng chìm xuoáng ñaùy nguoàn. Thay ñoåi tính chaát lyù hoïc cuûa nöôùc nguoàn ( thay ñoåi pH vaø haøm löôïng cuûa caùc chaát höõu cô, voâ cô, xuaát hieän caùc chaát ñoäc haïi ) Löôïng oxy hoaø tan trong nöôùc nguoàn do ñaõ tieâu hao ñeå oxy hoaù caùc chaát baån höõu cô vöøa môùi ñöa vaøo. Caùc vi khuaån thay ñoåi veà daïng vaø veà soá löôïng coù xuaát hieän caû caùc vi truøng gaây beänh. Nguoàn nhieãm baån nhö ñaõ trình baøy coù aûnh höôûng raát lôùn ñeán vieäc söû duïng nguoàn vaøo muïc ñích caáp nöôùc. I.2. Thaønh Phaàn Nöôùc Thaûi Sau khi söû duïng cho nhu caàu sinh hoaït vaø coâng nghieäp nöôùc bò nhieãm baån ñoàng thôøi coù chöùa nhieàu vi truøng vaø caùc chaát ñoäc haïi khaùc. Chuùng laøm oâ nhieãm moâi tröôøng. Vì vaäy, nöôùc thaûi tröôùc khi xaû vaøo soâng, hoà ( nguoàn nöôùc ) caàn phaûi ñöôïc xöû lyù thích ñaùng. Möùc ñoä xöû lyù phuï thuoäc vaøo noàng ñoä cuûa nöôùc thaûi: khaû naêng pha loaõng giöõa nöôùc thaûi vaø nöôùc nguoàn vaø caùc yeâu caàu veà maët veä sinh. Ñeå thieát keá caùc coâng trình xöû lyù nöôùc thaûi, tröôùc tieân caàn phaûi bieát thaønh phaàn cuûa chuùng. Theo traïng thaùi lyù hoïc, caùc chaát baån trong nöôùc thaûi ñöôïc chia thaønh 3 nhoùm sau ñaây:[3] Nhoùm 1: goàm caùc chaát khoâng tan ôû daïng lô löûng, kích thöôùt lôùn ( nhöõng haït coù ñöôøng kính > 10-1 mm) vaø ôû daïng huyeàn phuø, nhuõ töông, bot ( nhöõng haït coù ñöôøng kính töø 10-1 ñeán 10-4 mm) Nhoùm 2: goàm caùc chaát khoâng tan ôû daïng keo ( nhöõng haït coù kích thöôùt töø 10-4 ñeán 10-6 mm) Nhoùm 3 : goàm caùc chaát hoøa tan ôû daïng haït phaân töû. Nhöõng haït naøy coù ñöôøng kính < 10-6 mm. Chuùng khoâng taïo thaønh pha rieâng bieät vaø heä trôû thaønh heä moät pha hay coøn goïi laø dung dòch thaät. Theo baûn chaát cuûa mình, caùc chaát baån trong nöôùc bao goàm: caùc chaát baån höõu cô, voâ cô, vi sinh vaät vaø sinh vaät.[11] Caùc chaát baån voâ cô trong nöôùc thaûi sinh hoaït chieám 42%, goàm coù caùt, caùc haït ñaát seùt, xæ quaëng, caùc muoái khoaùng, caùc acid voâ cô, kieàm voâ cô, caùc daàu khoaùng… Caùc chaát baån höõu cô trong nöôùc thaûi sinh hoaït chöùa 58% goàm caùc chaát höõu cô thöïc vaät vaø höõu cô ñoäng vaät. Caùc chaát höõu cô thöïc vaät coù trong nöôùc thaûi sinh hoaït goàm: caën baõ thöïc vaät, rau hoa quaû, giaáy…nguyeân toá hoaù hoïc chính cuûa daïng chaát baån naøy laø cacbon. Caùc chaát höõu cô ñoäng vaät coù trong nöôùc thaûi sinh hoaït goàm: caùc chaát baøi tieát cuûa con ngöôøi vaø ñoäng vaät, caën baõ xaùc ñoäng vaät…ñaëc ñieåm cuûa chuùng laø chöùa moät haøm löôïng lôùn nitô. Nhieãm baån vi sinh vaät vaø vi sinh laø do nhieàu loaïi vi sinh vaät vaø sinh vaät taïo neân: caùc loaïi naám men, naám moác, rong taûo nhoû vaø vi khuaån. Trong soá ñoù coù caû vi khuaån gaây beänh. Thí duï caùc taùc nhaân gaây beänh thöông haøn, lî…daïng chaát baån naøy ñaëc tröng nhaát cho nöôùc thaûi sinh hoaït vaø moät vaøi loaïi nöôùc thaûi sinh hoaït khaùc (ví duï nöôùc thaûi xí nghieäp gieát moå gia suùc, nhaø maùy da) veà thaønh phaàn hoùa hoïc thì chuùng thuoäc nhoùm caùc chaát baån höõu cô. Khi xeùt veà thaønh phaàn cuûa nöôùc thaûi caàn phaûi hieåu moät khaùi nieäm quan troïng laø noàng ñoä baån cuûa nöôùc thaûi, ñoù laø haøm löôïng chaát baån chöùa trong moät ñôn vò theå tích ñöôïc tính baèng (mg/l). I.3. Vai Troø Cuûa Ngaønh Chaên Nuoâi Heo. Trong noâng nghieäp, chaên nuoâi ñöôïc khaúng ñònh laø moät ngaønh kinh teá quan troïng trong neàn kinh teá quoác daân, noù cung caáp moät löôïng thòt khaù lôùn cho con ngöôøi, ñoù laø loaïi thöùc aên giaøu chaát ñaïm khoâng theå thieáu trong khaåu phaàn aên cuûa ngöôøi daân. Vaøo naêm 1995, löôïng thòt tieâu thuï bình quaân cuûa moät ngöôøi daân TPHCM laø 21kg/naêm, trong ñoù löôïng thòt heo chieám 70%. Nhö vaäy, lôïi nhuaän töø chaên nuoâi heo coù theå ñaït ñeán 15-20% cuûa ñoàng voán ñaàu tö. Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, nhieàu gioáng heo ñaõ ñöôïc taïo gioáng, du nhaäp töø nöôùc ngoaøi ñeå taêng naêng suaát thòt vaø ñaùp öùng nhu caàu ngaøy caøng taêng cuûa ngöôøi daân.[14] Chaên nuoâi heo laø moät trong nhöõng nghaønh quan troïng cuûa Thaønh Phoá Hoà Chí Minh. Nhieàu cô sôû chaên nuoâi heo tröôùc ñaây naèm ôû caùc huyeän ngoaïi thaønh daân cö thöa thôùt nay ñaõ trôû thaønh nhöõng khu ñoâng daân cö thuoäc noäi thaønh nhö Xí Nghieäp chaên nuoâi 19/5 naèm taïi phöôøng Linh Xuaân quaän Thuû Ñöùc, Xí Nghieäp chaên nuoâi heo Goø Sao thuoäc aáp 7 Thaïnh Xuaân quaän 12, Xí Nghieäp chaên nuoâi heo 3 thaùng 2 naèm taïi phöôøng Linh Xuaân quaän Thuû Ñöùc, Xí Nghieäp chaên nuoâi heo gia coâng quaän Phuù Nhuaän, xí nghieäp chaên nuoâi ñoàng hieäp naèm taïi quaän thuû ñöùc. Moãi xí nghieäp ñeàu nuoâi treân 2.000 heo, moãi ngaøy thaûi ra töø 100 ñeán 300 m3 nöôùc thaûi .Trong nhöõng naêm tôùi ñeå phaùt trieån beàn vöõng saûn xuaát vaø khoâng laøm oâ nhieãm moâi tröôøng, Thaønh Phoá Hoà Chí Minh ñaõ coù chuû tröông ñöa caùc cô sôû chaên nuoâi hieän nay ra caùc huyeän Cuû Chi, Hoác Moân, Bình Chaùnh, Nhaø Beø, Caàn Giôø. Beân caïnh ñoù, chaên nuoâi ñöôïc khuyeán khích phaùt trieån vaø taïo ñieàu kieän naâng cao tæ troïng chaên nuoâi coâng nghieäp, thöïc hieän toát di dôøi caùc cô sôû chaên nuoâi gaây oâ nhieãm, keát hôïp vôùi boá trí laïi, di chuyeån caùc traïi chaên nuoâi ra vuøng noâng nghieäp oån ñònh laâu daøi, keát hôïp vôùi coâng nghieäp hoaù, hieän ñaïi hoaù caùc khaâu saûn xuaát gioáng, chuoàng traïi, thöùc aên gia suùc, xöû lyù nöôùc thaûi… Sau naêm 2000, caùc cô sôû chaên nuoâi coâng nghieäp ñöôïc xaây döïng chuû yeáu ôû Cuû Chi vaø moät soá vuøng noâng thoân ôû Hoùc Moân, Bình Chaùnh, Thuû Ñöùc, Nhaø Beø, Caàn Giô …(tuyø ñoái töôïng nuoâi vaø haïn cheá toái ña ôû caùc khu daân cö taäp trung, vuøng ñoâ thò hoaù) vaø ñaït muïc tieâu phaán ñaáu giai ñoaïn 2000-2010 seõ cung caáp saûn phaåm chaên nuoâi cho khoaûng 6 trieäu ngöôøi (hieän ngaønh chaên nuoâi chæ ñaùp öùng ñöôïc 21-37% nhu caàu thòt cho thaønh phoá). I.4. Söï OÂ Nhieãm Nöôùc Thaûi Chaên Nuoâi Heo Caùc ñôn vò chaên nuoâi coâng nghieäp hieän nay cuûa TP.HCM phaàn lôùn naèm trong vuøng phaùt trieån ñoâ thò vaø khu coâng nghieäp, ñang daàn boäc loä roõ caùc nhöôïc ñieåm veà maët baèng haïn heïp, khoâng ñaûm baûo veä sinh thuù y theo quy ñònh cuûa phaùp leänh thuù y veà maët khoâng gian vaø nhaát laø khoâng coù ñieàu kieän xöû lyù tröôùc khi thaûi vaøo moâi tröôøng maø ñöôïc ñoå ra keânh raïch, soâng ngoøi, ñaát ñai xung quanh laøm oâ nhieãm moâi tröôøng nghieâm troïng. (Noäi thaønh TP.HCM ñang coù nhieàu xí nghòeâp chaên nuoâi heo quy moâ trung bình khoaûng treân döôùi 2000 ñaàu heo moãi xí nghieäp, nöôùc thaûi trong quaù trình chaên nuoâi thaûi ra moâi tröôøng moãi ngaøy töø 100 - 300m3/xí nghieäp). Do ñònh höôùng chuyeån dòch cô caáu giaûm tæ leä troàng troït, taêng tæ leä chaên nuoâi neân löôïng nöôùc thaûi thaûi vaøo moâi tröôøng seõ ngaøy caøng taêng. Nöôùc thaûi chaên nuoâi heo laø moät trong nhöõng loaïi nöôùc thaûi gaây oâ nhieãm moâi tröôøng nghieâm troïng nhaát, laø nguoàn nöôùc thaûi khoâng an toaøn do chöùa haøm löôïng caùc hôïp chaát chaát höõu cô khaù cao, nhieàu chaát xô vaø haøm löôïng cao caùc hôïp chaát nitô, löu huyønh, tröùng giun saùn…Nguoàn nöôùc thaûi naøy coù nguy cô trôû thaønh nguyeân nhaân tröïc tieáp phaùt sinh beänh cho gia suùc ñoàng thôøi laây lan moät soá beänh cho ngöôøi do chöùa nhieàu maàm beänh nhö: Samonella, Leptospira, Clostridium, Bacillus, Fasciolosis, Buski, Brucella…[2],[14] Tuyø thuoäc vaøo ñieàu kieän chaêm soùc (soá löïông nöôùc duøng ñeå laøm veä sinh) vaø thu doïn chaát thaûi (coù laáy bôùt moät phaàn phaân heo hay khoâng tröôùc khi laøm veä sinh) cuûa moãi cô sôû chaên nuoâi maø thaønh phaàn nöôùc thaûi khaùc nhau vaø ñaït doä dao doäng raát lôùn. SS (mg/l) COD (mg/l) BOD5 (mg/l) NH4+ (mg/l) pH Taøi lieäu 300 -1500 1000-4000 700-2100 865 6,5-7,7 Ñ.H.L.Chi et al. 1997 Ñoã Ngoïc Quyønh.1999 Buøi Xuaân An et al. 1999 Baûng1: Thaønh phaàn (trung bình) cuûa nöôùc thaûi chaên nuoâi heo. Tuyø vaøo töøng cô sôû chaên nuoâi maø thaønh phaàn chaát thaûi coù khaùc nhau, nhöng thöôøng thì nöôùc thaûi chaên nuoâi heo coù haøm löôïng chaát höõu cô khaù cao: SS:180 – 1248 mg/l; COD: 500 – 3000; BOD: 300 – 2100 mg/l; NH4+: 15- 865mg/l; Escherichia Coli: 15.105 – 68,3.107 MPN/ 100ml; Steptococcus Faecalis 3.102 – 3,5.103 MPN/ 100ml; Clostridium Perfringens: 50 – 160 teá baøo/ 100ml. Keát quaû phaân tích nöôùc röûa chuoàng heo cuûa Xí Nghieäp chaên nuoâi heo Khang Trang ñöôïc ghi nhaän ôû baûng 2 Baûng 2: Thaønh phaàn lyù hoaù hoïc cuûa nöôùc thaûi chaên nuoâi heo Xí Nghieäp Khang Trang, Q.12 -Tp.HCM Taùc nhaân oâ nhieãm Thaønh phaàn trung bình (mg/l) TS Caën lô löûng (SS) Caën hoøa tan BOD5 COD Toång N Toång P 3.082 1.248 1.815 1.950 3.400 450 47 Maëc duø nöôùc thaûi chaên nuoâi heo gaây oâ nhieãm moâi tröôøng raát lôùn nhöng haàu heát caùc cô sôû chaên nuoâi lôùn nhoû hieän nay ñeàu chöa coù heä thoáng xöû lyù thích hôïp vaø hoaït ñoäng thöôøng xuyeân coù hieäu quaû. Nguyeân nhaân cuûa vieäc treân laø do yù thöùc cuûa caùc nhaø quaûn lyù ôû caùc xí nghieäp chaên nuoâi chöa coi vieäc xöû lyù nöôùc thaûi laø thaät söï caàn thieát. Ngaønh chaên nuoâi laø moät trong nhöõng ngaønh quan troïng ôû nöôùc ta noùi chung vaø ôû thaønh phoá noùi rieâng vì theá vaán ñeà xöû lyù nöôùc thaûi chaên nuoâi heo laø moät taát yeáu phaûi laøm nhaèm phaùt trieån kinh teá beàn vöõng. I.5. Moät Soá Phöông Phaùp Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Chaên Nuoâi Heo. [3],[5],[12] Nöôùc thaûi chaên nuoâi heo thöôøng chöùa nhieàu taïp chaát coù baûn chaát khaùc nhau, vì vaäy muïc ñích cuûa coâng ngheä xöû lyù nöôùc thaûi laø khöû caùc taïp chaát ñoù sao cho nöôùc sau khi xöû lyù ñaït chaát löôïng cho pheùp taùi söû duïng, coù theå söû duïng ñöôïc cho moät muïc ñích nhaát ñònh sau ñoù hay thaûi ra moâi tröôøng xung quanh maø khoâng laøm oâ nhieãm moâi tröôøng. Ñeå ñaït ñöôïc muïc ñích ñoù, trong coâng ngheä xöû lyù nöôùc thaûi bao goàm caùc phöông phaùp cô baûn sau. I.5.1. Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Baèng Phöông Phaùp Cô Hoïc Nöôùc thaûi thöôøng chöùa caùc chaát tan hay khoâng tan ôû daïng lô löûng. Ñeå taùch caùc haït naøy ra khoûi nöôùc thaûi, ngöôøi ta coù theå söû duïng caùc phöông phaùp cô hoïc nhö loïc qua song chaén raùc, löôùi chaén raùc, caùc loaïi beå laéng, loïc caùt vaø ly taâm. Tuyø vaøo kích thöôùc haït, tính chaát hoaù - lyù, noàng ñoä haït lô löûng, löu löôïng nöôùc vaø möùc ñoä laøm saïch caàn thieát maø ngöôøi ta löïa choïn phöông phaùp thích hôïp I.5.2. Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Baèng Phöông Phaùp Hoaù - Lyù I.5.2.1. Ñoâng Tuï Vaø Keo Tuï Caùc chaát raén lô löûng phaân taùn, caùc chaát keo coù kích thöôùc nhoû hôn 10-4mm khoâng theå töï laéng ñöôïc hoaëc laéng vôùi toác ñoä raát chaäm coù theå ñöôïc loaïi boû baèng phöông phaùp ñoâng tuï vaø keo tuï Caùc chaát ñoâng tuï thöôøng duøng laø caùc loaïi muoái nhoâm, saét hay hoãn hôïp cuûa chuùng. Ngoaøi ra, ñeå taêng hieäu suaát ñoâng tuï, ngöôøi ta coøn söû duïng theâm caùc chaát trôï ñoâng tuï. Caùc chaát trôï ñoâng tuï coù taùc duïng naâng cao toác ñoä laéng cuûa caùc boâng keo ñoàng thôøi giaûm löôïng chaát ñoâng tuï, giaûm thôøi gian ñoâng tuï. Caùc chaát trôï ñoâng tuï coù theå laø caùc polyme töï nhieân nhö tinh boät, xellulose, dextrin, caùc polyme toång hôïp nhö polyacrylamid, hoaëc caùc chaát ñoâng tuï voâ cô nhö natri, silicat hoaït tính… I.5.2.2. Tuyeån Noåi Tuyeån noåi laø phöông phaùp ñöôïc söû duïng ñeå taùch caùc taïp chaát ôû daïng raén hoaëc loûng, phaân taùn khoâng tan, töï laéng keùm trong pha loûng vaø moät soá chaát hoaø tan nhö caùc chaát hoaït ñoäng beà maët. Öu ñieåm cuûa phöông phaùp tuyeån noåi laø coù theå loaïi boû caùc haït nhoû, nheï, laéng chaäm trong moät khoaûng thôøi gian ngaén. Tuy nhieân, caùc thieát bò tuyeån noåi coù caùc mao quaûn deã bò baån, taéc ngheït vaø khoù löïa choïn caùc loaïi vaät lieäu ñeå coù kích thöôùc mao quaûn gioáng nhau ñeå ñaûm baûo taïo thaønh caùc boït khí coù kích thöôùc ñoàng nhaát. I.5.2.3. Haáp Phuï Ñöôïc söû duïng ñeå laøm saïch trieät ñeå nöôùc thaûi khoûi caùc chaát höõu cô hoaø tan sau khi xöû lyù sinh hoïc cuõng nhö xöû lyù sô boä khi trong nöôùc thaûi coù moät haøm löôïng raát nhoû caùc chaát khoâng ñöôïc phaân giaûi baèng con ñöôøng sinh hoïc vaø thöôøng coù ñoäc tính cao nhö phenol, alkylbenzen, sulfonic acid… Moät soá chaát haáp phuï ñöôïc söû duïng phoå bieán laø than hoaït tính, caùc nhöïa cao phaân töû nhö scavenger laø loaïi nhöïa cenion coù ñoä xoáp lôùn I.5.3. Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Baèng Phöông Phaùp Hoaù Hoïc Ñaëc tröng laø phöông phaùp oxy-hoaù khöû Trong coâng ngheä xöû lyù nöôùc thaûi, ngöôøi ta coù theå söû duïng caùc chaát oxy hoaù nhö Clo daïng khí hoaëc hoaù loûng, Kali-permanganat, H2O2, Ozon… ñeå laøm saïch nöôùc thaûi Laøm saïch nöôùc thaûi baèng phöông phaùp khöû ñöôïc öùng duïng trong caùc tröôøng hôïp nöôùc thaûi chöùa caùc hôïp chaát deã bò khöû. Ñaëc bieät phöông phaùp naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi ñeå taùch caùc hôïp chaát thuyû ngaân, crom…ra khoûi nöôùc thaûi I.5.4. Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Baèng Phöông Phaùp Sinh Hoïc Phöông phaùp naøy thöôøng ñöôïc duøng ñeå loaïi caùc chaát phaân taùn nhoû, chaát keo vaø caùc chaát höõu cô hoaø tan (ñoâi khi coù caû moät soá hôïp chaát voâ cô) khoûi nöôùc thaûi. Nguyeân lyù cuûa phöông phaùp naøy laø döïa vaøo hoaït ñoäng soáng cuûa caùc loaøi vi sinh vaät coù khaû naêng phaân huyû, phaù gaõy caùc maïch phaân töû cuûa caùc chaát höõu cô coù maïch cacbon lôùn thaønh caùc phaân töû coù maïch cacbon ñôn giaûn hôn nhieàu vaø cuoái cuøng laø taïo CO2 (hieáu khí) hoaëc CH4+CO2(yeám khí). Caùc vi sinh vaät, vi khuaån, taûo, rong reâu laø caùc chaát xuùc taùc soáng. Chuùng giuùp cho moät soá quaù trình xaûy ra trong nöôùc, caùc phaûn öùng coù söï tham gia cuûa caùc hôïp chaát höõu cô vaø caùc quaù trình oxy hoaù-khöû xaûy ra qua trung gian laø vi khuaån Caùc phöông trình toång quaùt cuûa quaù trình oxy hoaù sinh hoaù nhôø caùc vi sinh vaät ôû ñieáu kieän hieáu khí: CxHyOzN + NH3 + O2 vi sinh vaät xCO2 + (Y-3)/2 H2O + NH3 + 4H+ Phaûn öùng toång hôïp ñeå xaây döïng teá baøo CxHyOzN + NH3 + O2 vi sinh vaät C5H7NO2 + CO2 + 4H+ Khi trong moâi tröôøng thieáu chaát dinh döôõng vi sinh vaät tieán haønh söï töï oxy hoaù caùc chaát lieäu teá baøo C5H7NO2 + 5O2 vi sinh vaät 5CO2 + NH3 + 2H2O + 4H+ NH3 + 2O2 visinh vaät 2HNO2 + O2 vi sinh vaät 2HNO3 I.5.4.1. Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Baèng Phöông Phaùp Leân Men Hieáu Khí Nguyeân lyù chung cuûa phöông phaùp naøy laø caùc vi sinh vaät hieáu khí söû duïng oxy cuûa khoâng khí ñeå phaân huyû caùc chaát höõu cô thaønh CO2 vaø H2O Caùc chaát höõu cô hoaø tan, caû chaát keo vaø caùc chaát phaân taùn nhoû seõ ñöôïc chuyeån hoaù baèng caùch haáp phuï vaø keo tuï treân beà maët caùc teá baøo vi sinh vaät. Tieáp ñoù trong quaù trình trao ñoåi chaát döôùi taùc duïng cuûa caùc men noäi baøo, chaát höõu cô seõ ñöôïc phaân huyû Quaù trình phaân huyû caùc chaát höõu cô bôûi caùc vi sinh vaät hieáu khí coù theå ñöôïc bieåu dieãn moät caùch toång quaùt nhö sau: Caùc chaát höõu cô + O2 vi khuaån CO2 + H2O + vi khuaån Caùc chaát dinh döôõng Hoaëc Caùc chaát höõu cô + O2 vi khuaån saûn phaåm cuûa + saûn phaåm Caùc chaát dinh döôõng quaù trình oxy hoaù ñaõ ñöôïc toång hôïp I.5.4.2. Xöû Lyù Baèng Phöông Phaùp Leân Men Yeám Khí Phöông phaùp xöû lyù yeám khí laø phöông phaùp söû duïng vi sinh vaät yeám khí (ví duï nhö loaøi vi khuaån Metbanogens phaân huyû caùc chaát höõu cô ôû ñieàu kieän khoâng coù khoâng khí thaønh khí metan) ñeå phaân huyû caùc hôïp chaát höõu cô ôû ñieàu kieän yeám khí goàm 2 giai ñoaïn chính Giai ñoaïn 1: (giai ñoaïn thuyû phaân) döôùi taùc duïng cuûa men do vi sinh vaät tieát ra, caùc hôïp chaát höõu cô coù trong nöôùc thaûi seõ bò thuyû phaân: caùc cacbon hydrat phöùc taïp seõ thaønh ñöôøng ñôn giaûn, protit seõ thaønh peptit phaân töû thaáp vaø axit amin, môõ seõ thaønh glycerin vaø axit beùo Giai ñoaïn 2: (giai ñoaïn taïo khí) saûn phaåm cuûa quaù trình thuyû phaân seõ tieáp tuïc bò phaân huyû vaø taïo saûn phaåm cuoái cuøng laø hoãn hôïp caùc loaïi khí chuû yeáu laø CO2 vaø CH4, ngoaøi ra coøn moät ít muoái khoaùng. Toác ñoä vaø möùc ñoä phaân huyû yeám khí cuûa caùc chaát höõu cô phuï thuoäc vaøo baûn chaát hoaù hoïc cuûa chuùng Quaù trình phaân huyû yeám khí caùc chaát höõu cô ñöôïc chia ra laøm 3 böôùc nhö sau: Böôùc 1: Chaát coù khoái thuyû phaân phaân töû thích hôïp cho vi sinh löôïng phaân töû lôùn ENZIN söû duïng vaø xaây döïng teá baøo Böôùc 2: Caùc chaát sau Acidozens caùc chaát coù phaân töû löôïng thaáp böôùc 1 ENZIN chuû yeáu laø caùc acid CH3OH,CO2 Böôùc 3: Caùc chaát sau Methanogens CH4 + CO2 böôùc 2 Böôùc 1 vaø 2 coù theå xem nhö laø giai ñoaïn 1 coøn böôùc 3 nhö laø giai ñoaïn 2 I.5.4.3. Nhöõng Yeáu Toá AÛnh Höôûng Ñeán Hieäu Quaû Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Baèng Phöông Phaùp Sinh Hoïc Trong phöông phaùp sinh hoïc xöû lyù nöôùc thaûi taùc nhaân laø vi sinh hoïc – ñoù laø moät cô theå soáng – do vaäy moïi yeáu toá aûnh höôûng ñeán sinh lyù cuûa vi sinh vaät ñeàu aûnh höôûng tröïc tieáp ñeán hieäu suaát xöû lyù nöôùc thaûi. Ví duï ( nhieät ñoä, pH, oxy, noàng ñoä chaát, söï khuaáy troän, löôïng vi sinh vaät, chaát vi löôïng, thôøi gian…) Nhieät ñoä Vôùi phöông phaùp sinh hoïc, nhieät ñoä coù aûnh höôûng raát lôùn ñeán söï laøm saïch nöôùc thaûi. Nhieät ñoä bình thöôøng trong moät naêm thöôøng coù theå thay ñoåi trong giôùi haïn nöôùc thaûi nhôø vi sinh vaät cuõng thay ñoåi theo. Ngöôøi ta thaáy raèng nhieät ñoä haï töø 200C xuoáng töø 2 – 5 0C ñeán 25 – 350C, theo söï bieán ñoåi cuûa nhieät ñoä, hieäu suaát laøm saïch 60C seõ daãn ñeán giaûm toác ñoä laøm saïch nöôùc thaûi xuoáng 2 laàn. Ngöôïc laïi neáu taêng nhieät ñoä töø 200C ñeán 370C thì toác ñoä laøm saïch nöôùc thaûi taêng töø 2 – 3 laàn. Taêng nhieät ñoä, khoâng nhöõng taêng vaän toác phaân huyû chaát maø ñoàng thôøi giaûm ñoä hoøa tan cuûa oxy trong nöôùc, do vaäy ñoái vôùi quaù trình laøm saïch nöôùc thaûi theo phöông phaùp hieáu khí caàn taêng cöôøng quaù trình laøm thoaùng khí(suïc khoâng khí nhieàu hôn). Trong tröôøng hôïp giaûm nhieät ñoä thì ngöôïc laïi. Thoâng thöôøng ñoái vôùi vi sinh vaät, nhieät ñoä phuø hôïp khoaûng töø 20 – 300C (hay coøn goïi laø nhieät ñoä aám). pH Nhìn chung caùc loaïi vi khuaån thích hôïp trong moâi tröôøng trung hoaø hay acid yeáu. Toát nhaát chuùng ta caàn giöõ pH toaøn heä thoáng dòch laøm saïch nöôùc thaûi cho vi sinh vaät trong vuøng pH 5,5 – 8,5 taêng hay giaûm pH so vôùi möùc naøy ñeàu laøm giaûm hieäu quaû laøm saïch nöôùc. Trong thöïc teá, trong quaù trình laøm saïch, khoâng caàn ñieàu chænh pH, vì sinh vaät coù khaû naêng töï ñieàu chænh pH cho phuø hôïp vôùi sinh lyù cuûa chuùng; ta coù theå coù hoãn hôïp vôùi pH gaàn vôùi pH thích hôïp vi sinh vaät noùi treân. Noàng ñoä oxy hoaø tan Ñaëc bieät quan troïng vôùi phöông phaùp hieáu khí. Toác ñoä oxy hoaø tan trong nöôùc thaûi phaûi nhoû hôn toác ñoä söû duïng oxy cuûa heä vi sinh vaät trong heä thoáng laøm saïch nöôùc thaûi (vôùi phöông phaùp hieáu khí). Oxy caàn thieát cho sinh tröôûng phaùt trieån cuûa vi sinh vaät, giaûm löôïng oxy seõ laøm giaûm vaän toác sinh tröôûng vi sinh vaät vaø giaûm vaän toác laøm saïch nöôùc thaûi. Vôùi noàng ñoä oxy khoaûng 1mg/l khoâng laøm bieán ñoåi vaän toác laøm saïch, nhöng neáu khi noàng ñoä oxy giaûm coøn 0,5mg/l thì vaän toác laøm saïch seõ giaûm. Trung bình löôïng oxy töø 1 – 5 mg/l phuø hôïp cho quaù trình laøm saïch hieáu khí. Khuaáy troän dòch nöôùc thaûi vaø taùc nhaân vi sinh vaät. Söï khuaáy troän hoãn hôïp dòch thaûi vaø taùc nhaân mang vi sinh vaät ñeàu coù aûnh höôûng toát ñeán hieäu quaû laøm saïch nöôùc thaûi, phaân huyû nhanh choùng caùc chaát nhieãm baån coù trong nöôùc. Do taùc ñoäng khuaáy troän caùc phaàn töû ñöôïc va chaïm nhau, taïo thaønh caùc phaàn töû nhoû hôn taêng beà maët tieáp xuùc vôùi vi sinh vaät, ñieàu ñoù laøm taêng vaän toác phaân huyû. Moät soá nguyeân toá caàn cho dinh döôõng vi sinh vaät. Ngoaøi nguoàn nguyeân lieäu cung caáp cacbon, vi sinh vaät coøn caàn Nitô, photpho… cho dinh döôõng cuûa chuùng; N vaø P ñeàu laø vaät lieäu tham gia caáu truùc teá baøo vaø coù vai troø trong trao ñoåi naêng löôïng. Khoâng ñuû löôïng N, P caàn thieát thöôøng laøm giaûm vaän toác laøm saïch – cuõng coù nhöõng loaïi nöôùc thaûi coù ñuû löôïng N, P cho vi sinh vaät. Ngoaøi ra coøn caàn theâm Mg, K, Na. muoái sunfat, Nitratamon, ure, dòch amoniac, super photphat, Ortophophoric acid… Nhöõng loaïi nöôùc thaûi naøo coù löôïng N, P quaù cao caàn phaûi pha loaõng nöôùc thaûi tröôùc khi xöû lyù vôùi muïc ñích giaûm noàng ñoä N, P xuoáng ñeå khoâng aûnh höôûng ñeán sinh lyù bình thöôøng cuûa vi sinh vaät. I.5.5. Xöû Lyù Nöôùc Thaûi Qua Beå UASB (Beå Buøn Hoaït Tính) Trong beå UASB, doøng nöôùc thaûi höôùng ñi qua lôùp buøn bao goàm caùc haït hình thaønh töø quaù trình sinh hoïc. Quaù trình xöû lyù dieãn ra khi nöôùc thaûi chaûy vôùi söï tieáp xuùc vôùi caùc haït buøn lô löûng, caùc loaïi khí taïo ra seõ giuùp hình thaønh vaø oån ñònh caùc haït sinh hoïc ñoàng thôøi laøm cho chuùng noåi leân treân maët nöôùc, giaûi phoùng khí vaøo khoang chöùa khí phía beân treân beå coøn dòch loûng, nöôùc thaûi chöùa moät ít chaát lô löûng vaø caùc haït sinh hoïc seõ qua ngaên laéng, quay trôû laïi heä maøng roài rôi xuoáng lôùp buøn vaø doøng nöôùc qua coät ñöôïc ñöa ra ngoaøi vaøo bình chöùa sau ñoù cho qua xöû lyù hieáu khí vaø thieáu khí CHÖÔNG II. TOÅNG QUAN TAØI LIEÄU NÖÔÙC NGOAØI – TOÅNG QUAN VEÀ XÖÛ LYÙ SINH HOÏC LOAÏI NITÔ TRONG NÖÔÙC THAÛI, NITRIFICATION VAØ ANAMMOX. II.1. Môû Ñaàu Ñoái vôùi nhieàu loaïi nöôùc thaûi coù chöùa haøm löôïng caùc chaát dinh döôõng (N, P) trung bình vaø cao, vieäc xöû lyù loaïi caùc thaønh phaàn naøy tröôùc khi xaû thaûi laø moät nhu caàu quan troïng, nhaèm haïn cheá söï oâ nhieãm nöôùc ngaàm, nöôùc maët. Nguy cô taùc ñoäng lôùn nhaát khi thaûi nöôùc thaûi giaøu N, P vaøo caùc vöïc nöôùc maët laø hieän töôïng phuù döôõng (eutrophication). Haäu quaû cuûa phuù döôõng laø kích thích söï phaùt trieån maïnh caùc loaøi taûo, laøm phaù vôõ chuoãi thöùc aên oån ñònh cuûa caùc heä sinh thaùi thuûy vöïc nguoàn nhaän, gaây oâ nhieãm nöôùc (taïo ra muøi tanh, laøm suy giaûm oxy hoøa tan ôû giai ñoaïn suy taøn…) vaø boài caïn caùc vöïc nöôùc naøy. Ñoái vôùi nitô, tieâu chuaån thaûi cuûa Vieät Nam TCVN 5945-1995 quy ñònh giôùi haïn noàng ñoä toång nitô trong nöôùc thaûi ñöôïc pheùp thaûi vaøo caùc vöïc nöôùc cho caùc muïc ñích söû duïng khaùc nhau töø 30-60 mg/l; coøn treân giôùi haïn 60 mg/l thì khoâng ñöôïc pheùp thaûi vaøo moâi tröôøng. Caùc loaïi nöôùc thaûi thöôøng chöùa haøm löôïng N-NH4 cao laø nöôùc thaûi thuyû saûn, nöôùc thaûi ræ raùc, nöôùc thaûi chaên nuoâi heo,…[15],[16] Caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi baäc 2 thoâng thöôøng ñöôïc thieát keá ñeå loaïi caùc chaát höõu cô ( ñaùnh giaù qua caùc thoâng soá BOD5, COD ), vaø chæ coù hieäu quaû loaïi nitô moät phaàn. Do vaäy, vieäc loïai nitô thöôøng phaûi ñöôïc tieán haønh ôû giai ñoaïn tieáp theo sau – töùc xöû lyù baäc cao. Coâng ngheä sinh hoïc truyeàn thoáng ñeå xöû lyù nitô laâu nay laø döïa vaøo söï keát hôïp cuûa 2 quaù trình: nitrat hoùa (nitrification) vaø khöû nitrat (denitrification). Tuy nhieân, coâng ngheä xöû lyù truyeàn thoáng naøy coù nhöõng haïn cheá nhaát ñònh vaø söï caûi tieán coâng ngheä xöû lyù nitô ñaõ ñöôïc quan taâm töø nhöõng thaäp nieân cuoái theá kyû XX. Naêm 1995, moät phaûn öùng chuyeån hoùa nitô môùi chöa töøng ñöôïc bieát ñeán tröôùc ñoù veà caû lyù thuyeát vaø thöïc nghieäm ñaõ ñöôïc phaùt hieän. Ñoù laø phaûn öùng oxy hoùa kî khí ammonium (Anaerobic Ammonium Oxidation, vieát taét laø Anammox) – trong ñoù ammonium ñöôïc oxy hoùa bôûi nitrit trong ñieàu kieän kî khí, khoâng caàn cung caáp chaát höõu cô, ñeå taïo thaønh nitô phaân töû [20]. Söï phaùt hieän phaûn öùng Anammox ñaõ môû ra caùc höôùng phaùt trieån kyõ thuaät xöû lyù nitô môùi, ñaëc bieät laø ñoái vôùi caùc nöôùc thaûi coù haøm löôïng nitô cao. Trong voøng 2 thaäp nieân qua, ñaõ buøng noå caùc nghieân cöùu lieân quan ñeán anammox vaø öùng duïng cuûa noù. Treân bình dieän lyù thuyeát, chu trình nitô töï nhieân trong saùch giaùo khoa ñaõ ñöôïc boå sung moät maéc xích môùi, coøn treân bình dieän coâng ngheä, ñaõ coù nhaø maùy xöû lyù nitô phi truyeàn thoáng ñöôïc xaây döïng vaø vaän haønh. Tham khaûo moät soá taøi lieäu trong vaø ngoaøi nöôùc, nhaän thaáy raèng ngoaøi chu trình bieán ñoåi nitô thoâng thöôøng coøn coù söï bieán ñoåi kî khí trong quaù trình oxy hoùa ammonium vôùi söï coù maët cuûa moät chuûng vi sinh vaät töï döôõng (Anammox) ñoàng thôøi nitrate ñoùng vai troø chaát nhaän ñieän töû. Theo voøng chuyeån hoùa döôùi ñaây: buøn ñoû ñöôïc phaân laäp töø buøn hoaït tính beå kî khí cuûa heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi chaên nuoâi heo (Xí nghieäp heo gioáng Ñoâng AÙ, huyeän Dó An, Tænh Bình Döông). Buøn naøy coù khaû naêng laøm giaûm noàng ñoä N-NH4 vaø N-NO2 vaø cho ra N2 vaø N-NO3 trong ñieàu kieän kî khí khoâng caàn aùnh saùng. Theo phöông trính Van de Graaf et al.,1995 vaø Strous et al., 1997 ñaõ ñöa ra vôùi cô cheá seõ trình baøy döôùi ñaây NH4+ + 1.32 NO2- + 0.66HCO3- + 0.13 H+ 1.02N2 + 0.26 NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O II.2. Toång Quan Veà Tình Hình Nghieân Cöùu Ammonium Treân Theá Giôùi Quaù trình nghieân cöùu ammonium trong nöôùc thaûi ñaõ ñöôïc nghieân cöùu raát nhieàu caû trong vaø ngoaøi nöôùc, baènng nhieàu phöông phaùp khaùc nhau ñöôïc theå hieän ôû döôùi baûng 3 vaø 4.[21],[25] Baûng 3:Aûnh höôûng cuûa caùc coâng ngheä xöû lyù khaùc nhau ñeán caùc hôïp chaát Nitô Taùc ñoäng hoaëc coäng ngheä xöû lyù Caùc hôïp chaát höõu cô Khöû nitô toång soá cuûa toaøn boä quaù trình (%) Nitô höõu cô NH3 ,N-NH4 N-NO3 Coâng ngheä sinh hoïc Trong vi khuaån ñoàng hoùa 0 40 – 70 % Phaûn nitrate 0 0 Thu hoaïch taûo NH3 , N-NH4 Teá baøo Teá baøo Nitrate hoùa Giôùi haïn N-NO3 0 Ao oxy hoùa NH3 , N-NH4 Moät ít do khí ñaåy Nitrite vaø denitrite 20 – 90 Coâng ngheä hoùa hoïc Khöû baèng chlor Khoâng chaéc chaén 90 – 100 % 0 80 – 95 Haáp phuï baèng cacbon 30 – 50 % Ít Ít 10 – 20 Trao ñoåi ion vôùi nitrate Nheï Nheï 75 – 90 % 70 – 90 Taùc duïng vaät lyù Loïc 30 – 90 % Nheï Nheï 20 – 40 Ñuoåi khí 0 60 – 90 % 0 50 – 90 Ñieän ly 100% 30 – 50 % 30 – 50 % 40 – 50 Baûng 4: Öu vaø khuyeát ñieåm cuûa caùc coâng ngheä xöû lyù khaùc nhau ñeán ammonium Coâng ngheä xöû lyù ammonium Öu ñieåm Khuyeát ñieåm Taùc duïng vaät lyù Coâng ngheä ñôn giaûn (coå ñieån) Hieäu suaát khoâng cao Coâng ngheä hoùa hoïc Hieäu suaát cao Chi phí vaän haønh cao, gaây oâ nhieãm thö caáp Coâng ngheä sinh hoïc Hieáu khí vaø thieáu khí Dieän tích nhoû Chi phí ban ñaàu cao, toán naêng löôïng Ao thöïc vaät thuûy sinh Coâng ngheä ñôn giaûn (coå ñieån) Dieän tích lôùn, phaûi chon loïc heä thöïc vaät thuûy sinh Kî khí Dieän tích raát nhoû, chi phí ñaàu tö thaáp, hieäu suaát cao Nhoùm vi khuaån phaùt trieån chaäm Ammonium ñöôïc xöû lyù baèng nhieàu phöông phaùp khaùc nhau, nhöng caùc quaù trình treân chæ xöû lyù ammonium ôû taûi troïng trung bình. Coøn vôùi coâng ngheä môùi (Anammox) thì quaù trình xöû lyù ñôn giaûn hôn, ít toán naêng löôïng. II.2.1. Taùc Haïi Cuûa Vieäc Xaû Boû Ammonium Vaøo Moâi Tröôøng [1],[2],[20] Ammonium vaø muoái ammonium laø ñoäc toá ñoái vôùi caù, vôùi noàng ñoä raát nhoû töø 1.2 – 2 ppm cuõng coù theå laøm cheát caù. Noàng ñoä ammonium trong nöôùc nuoâi caù phaûi nhoû hôn 1.2 ppm. Caù coù theå chòu ñöôïc noàng ñoä ureâ cao 1600 ppm. Nhöng trong ñieàu kieän kî khí ñoái vôùi noàng ñoä ureâ nhoû laïi ñoäc ñoái vôùi caù vaø vi sinh vaät vì ôû ñieàu kieän ñoù ureâ phaân huûy thaønh ammoniac vaø khí cacbonic töï do. Caùc amin cuõng gaây ñoäc toá ñoái vôùi caùc loaøi thuûy sinh vaø coøn laøm taêng nhu caàu oxy vaø clo. Vì theá ñoái vôùi nguoàn coù noàng ñoä amin vaø nitô daïng ammonium cao thì trong xöû lyù nöôùc caàn löôïng clo lôùn vaø thôøi gian tieáp xuùc khöû truøng phaûi laâu hôn. Caùc hôïp chaát photphat vaø nitô coù trong nöôùc vôùi noàng ñoä cao gaây neân hieän töôïng phuù döôõng trong caùc soâng, hoà. Hieän töôïng phuù döôõng hoùa nguoàn nöôùc laø hieän töôïng caùc loaïi rong taûo trong nöôùc phaùt trieån quaù möùc do coù söï dö thöøa veà chaát dinh döôõng, maø cuï theå ñoù laø caùc hôïp chaát cuûa nitô vaø photpho. Khi caùc loaøi rong taûo aáy phaùt trieån maïnh seõ daãn ñeán söï bao phuû maët nöôùc laøm cho caùc loaøi sinh vaät bieån khaùc thieáu khoâng khí daãn ñeán ngoä ñoäc. Maët khaùc chuùng hoâ haáp vaøo ban ngaøy cuõng gaây neân söï thieáu huït oxy. Caùc loaïi sinh vaät nhaïy caûm vôùi oxy seõ bò cheát vaø daãn ñeán söï maát caân baèng sinh thaùi Neáu nöôùc chöùa haàu heát caùc hôïp chaát nitô höu cô, ammonium hoaëc NH4OH , thì chöùng toû nöôùc môùi bò oâ nhieãm. NH3 seõ gaây ñoäc ñoái vôùi caù vaø caùc sinh vaät khaùc trong nöôùc Neáu trong nöôùc coù caùc hôïp chaát N chuû yeáu laø nitrite (NO2) thì chöùng toû nöôùc ñaõ bò oâ nhieãm moät thôùi gian daøi hôn vì muoái ammonium ñaõ bò oxy hoùa thaønh nitrite Neáu trong nöôùc coù caùc hôïp chaát N chuû yeáu laø nitrate (NO3) thì chöùng toû quaù trình phaân huûy ñaõ keát thuùc. Tuy vaäy caùc nitrate chæ beàn ôû ñieàu kieän hieáu khí, khi ôû ñieàu kieän thieáu khí hoaëc kî khí caùc nitrate deã bò khöû thaønh N2O, NO vaø nitô phaân töû taùch khoûi nöôùc bay vaøo khoâng khí. Neáu nitrate ôû trong nöôùc cao coù theå gaây ñoäc ñoái vôùi ngöôøi (vì khi vaøo cô theå, vôùi ñieàu kieän thích hôïp ôû ñöôøng tieâu hoùa, nitrate seõ bieán thaønh nitrite chaát naøy seõ keát hôïp vôùi hoàng caàu thaønh chaát khoâng vaän chuyeån oxy, gaây beänh thieáu maùu) Ammoniac(NH3) trong nöôùc toàn taïi ôû daïng NH3 vaø NH4+ (NH4OH, NH4NO3 , (NH4)2SO4 … ) tuøy thuoäc vaøo pH cuûa nöôùc vì noù laø moät bazô yeáu . NH3 hoaëc NH4+ coù trong nöôùc cuøng vôùi photphat thuùc ñaåy quaù trình phuù döôõng cuûa nöôùc. Tính ñoäc cuûa ammoniac cao hôn ion ammonium. Vôùi noàng ñoä 0.01 mg/l NH3 ñaõ gaây ñoäc cho caù qua ñöôøng maùu: noàng ñoä töø 0.2 – 0.5 mg/l ñaõ gaây ñoäc caáp tính. Trong nöôùc maët töï nhieân, vuøng khoâng oâ nhieãm coù haøm löôïng ammonium nhoû hôn 0.05 ppm; trong nöôùc thaûi töø caùc xí nghieäp cheá bieán thöïc phaåm vaø moät soá ngaønh coâng nghieäp khaùc coù haøm löôïng ammonium töø 10 ñeán vaøi traêm mg/l. Ôû Haø Lan quy ñònh haøm löôïng ammonium trong nöôùc maët treân 5 mg/l laø nöôùc oâ nhieãm naëng. FAO quy ñònh cho nöôùc nuoâi caù coù noàng ñoä ammonium khoâng vöôït quaù 0.2 mg/l ñoái vôùi caù Salmonid ( caù hoài) vaø 0.8 mg/l ñoái vôùi hoï caù Cyprinid (caù cheùp) Nitrate (NO3) laø saûn phaåm cuoái cuøng cuûa quaù trình phaân huûy caùc hôïp chaát höõu cô chöùa N coù trong chaát thaûi cuûa ngöôøi, ñoäng vaät vaø thöïc vaät. Trong nöôùc töï nhieân noàng ñoä nitrate thöôøng nhoû hôn 5 mg/l: vuøng bò oâ nhieãm do chaát thaûi hoaëc phaân boùn hoùa hoïc thì haøm löôïng nitrate trong nöôùc treân 10 mg/l, laøm cho rong taûo deõ phaùt trieån gaây aûnh höôûng xaáu ñeán chaát löôïng nöôùc sinh hoaït vaø nuoâi troàng thuûy saûn. Baûn thaân nitrate khoâng phaûi laø chaát coù ñoä tính, nhöng ôû trong cô theå noù bò chuyeån hoùa thaønh nitrite (NO2) roài keát hôïp vôùi moät soá chaát khaùc coù theå taïo thaønh caùc hôïp chaát nitrozo laø chaát coù khaû naêng gaây ung thö. Haøm löôïng nitrate (NO3) trong nöôùc cao, neáu uoáng phaûi seõ gaây beänh thieáu maùu, laøm treû xanh xao (beänh methaemoglobinaemia, blue baby) do chöùc naêng cuûa haemoglobin bò giaûm. Nguyeân nhaân laøm giaûm chöùc naêng cuûa haemoglobin laø do löôïng nitrate taêng trong cô theå. Theo quy ñònh cuûa WHO, nitrate coù trong nöôùc uoáng khoâng quaù 10mg/l (tính theo N) hoaëc 45mg/l (tính theo NO3) [16],[19] II.3. Toång Quan Veà Kyõ Thuaät Xöû Lyù Nitô Truyeàn Thoáng Caùc heä thoáng xöû lyù nitô truyeàn thoáng döïa treân söï keát hôïp 2 giai ñoaïn nitrat hoùa (nitrification) vaø denitrat hoùa (denitrification).[20],[22] II.3.1. Quaù Trình Nitrate Hoùa Ở giai ñoaïn nitrat hoùa, Ammonium trong nöôùc thaûi ñöôïc oxi hoùa ñeán nitrat qua 2 böôùc nitrit hoùa (nitritation) vaø oxy hoùa nitrit (nitratation). Ñaây laø giai ñoaïn xaûy ra trong ñieàu kieän hieáu khí. Caùc phaûn öùng ñöôïc moâ taû nhö sau: 2NH4+ + 3O2 2NO2- + 4H+ + 2H2O (1) 2NO2- + O2 2NO3- (2) NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O (3) Neáu tính ñeán söï ñoàng hoùa nitô cho sinh tröôûng teá baøo vi khuaån, phaûn öùng toång theå cuûa giai ñoaïn nitrat hoùa ñöôïc vieát [27] NH4+ + 1.83 O2 + 1.98 HCO3- 0.021 C5H7NO2 + 0.98 NO3- + 1.041 H2O + 1.88 H2CO3 (4) Vi sinh vaät ñoùng vai troø trong phaûn öùng (1), thöôøng goïi laø caùc AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria), ñöôïc bieát chuû yeáu laø caùc vi khuaån thuoäc chi Nitrosomonas vaø moät soá chi khaùc nhö Nitrosococcus, Nitrosospria, Nitrosolobus Chi Nitrosomonas: teá baøo hình elip hay hình quy ngaén, di ñoäng hoaëc khoâng, ñöùng rieâng reã, thaønh ñoâi hay thaønh chuoãi, gram aâm, coù maøng teá baøo chaát taùch ra thaønh tuùi khí ôû phaàn giöõa cuûa teá baøo chaát. Dinh döôõng hoùa naêng voâ cô baét buoäc, oxy hoùa NH4+ thaønh NO2- , duøng quaù trình coá ñònh CO2 ñeå thoûa maõn nhu caàu veà naêng löôïng vaø veà nguoàn thöùc aên cacbon. Phaùt trieån ôû nhöõng choã nöôùc ngoït hoaëc nöôùc bieån coù chöùa nhieàu NH4+ hoaëc nhieàu caùc muoái voâ cô. Khoâng caàn söû duïng caùc chaát sinh tröôûng höõu cô, bieân ñoä nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 5 – 30oC, pH thích hôïp laø 5.5 – 8.5. Löôïng chöùa G+X trong AND vaøo khoaûng 47.4 – 51.0% phaân töû. Chæ coù moät loaøi laø Nitrosomonas europana. Chi Nitrosospira : teá baøo hình xoaén, gram aâm, di ñoäng hoaëc khoâng, chu mao, töï döôõng hoùa naêng baét buoäc, hieáu khí baét buoäc, bieân ñoä nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 15 – 30oC, pH thích hôïp laø 6.5 – 8.5. Löôïng chöùa G+X trong AND vaøo khoaûng 54.1% phaân töû. Phaùt trieån ôû nöôùc ngoït, khoâng caàn söû duïng caùc chaát sinh tröôûng höõu cô. Chi Nitrosococcus : teá baøo hình caàu, gram aâm, di ñoäng hoaëc khoâng di ñoäng, ñöùng rieâng reõ, thaønh ñoâi hay thaønh boán teá baøo, töï döôõng hoùa naêng baét buoäc. Phaùt trieån ôû nöôùc ngoït hay ôû nöôùc maën giaøu ammonium vaø muoái voâ cô, khoâng caàn söû duïng caùc chaát sinh tröôûng höõu cô. bieân ñoä nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 2 – 30oC, pH thích hôïp laø 6.0 – 8.0. Löôïng chöùa G+X trong AND laø vaøo khoaûng 50.5 - 51.0% phaân töû Chi Nitrosolobus : teá baøo ña hình thaùi, coù khi coù thuøy, phaân caét theo phöông phaùp co thaét laïi, gram aâm, di ñoäng, chu mao, teá baøo bò ngaên caùch ra do söï loõm vaøo cuûa maøng nguyeân sinh chaát, di ñoäng, chu mao, töï döôõng hoùa naêng baét buoäc, hieáu khí baét buoäc, khoâng caàn chaát sinh tröôûng höõu cô. bieân ñoä nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 15 – 30oC, pH thích hôïp laø 6.0 – 8.2. Löôïng chöùa G+X trong AND laø vaøo khoaûng 53.6 - 55.1% phaân töû Töông töï, caùc NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria) lieân quan trong phaûn öùng (2) chuû yeáu laø vi khuaån thuoäc chi Nitrobacter, vaø moät soá chi khaùc nhö Nitrococcus, vaø Nitrospira ñöôïc phaùt hieän theâm sau naøy (Suwa et al., 1994; Schramm et al., 1998;). Chi Nitrobacter : teá baøo hình que ngaén thöôøng coù hình caùi neâm hay hình quaû leâ, sinh saûn theo kieåu naåy choài, coù theå coù nhöõng lôùp maøng teá baøo chaát bao boïc moät ñaàu troâng nhö hình caùi muõ len. Thöôøng khoâng di ñoäng, gram aâm. Moät soá töï döôõng hoùa naêng baét buoäc, moät soá coù theå dò döôõng, hieáu khí baét buoäc. Giôùi haïn nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 5 – 40oC, pH thích hôïp laø 6.5 – 8.5. Löôïng chöùa G+X trong AND laø vaøo khoaûng 60.7 - 61.7% phaân töû Chi Nitrospina : teá baøo hình que thaúng, maûnh deû, coù theå coù hình caàu, gram aâm, khoâng di ñoäng. Töï döôõng hoùa naêng baét buoäc, khoâng ñoøi hoûi caùc chaát kích thích sinh tröôûng höõu cô. Hieáu khí baét buoäc, giôùi haïn nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 20 – 30oC, pH thích hôïp laø 7.0 – 8.0. Löôïng chöùa G+X trong AND laø vaøo khoaûng 57.7% phaân töû Chi Nitrococcus : teá baøo hình caàu, kích thöôùc khoaûng 1.5 µm. gram aâm .di ñoäng nhôø 1 hoaëc 2 tieân mao ôû choã gaàn taän cuøng. Töï döôõng hoùa naêng baét buoäc. Khoâng ñoøi hoûi caùc chaát sinh tröôûng höõu cô. Giôùi haïn nhieät ñoä phaùt trieån ñöôïc laø 15 – 30oC, pH thích hôïp laø 6.8 – 8.0. Löôïng chöùa G+X trong AND laø vaøo khoaûng 61.2% phaân töû. Giöõa caùc AOB vaø NOB coù nhöõng khaùc bieät veà ñieàu kieän taêng tröôûng, cho pheùp ñieàu khieån choïn loïc söï caïnh tranh öu theá cuûa chuùng. Ví duï, toác ñoä sinh tröôûng rieâng cöïc ñaïi cuûa AOB nhoû hôn cuûa NOB ôû nhieät ñoä thaáp (0.xx so vôùi 0.xxx), nhöng do heä soá nhieät Van’t Hoff lôùn hôn, neân ôû nhieät ñoä cao (treân 28oC), AOB coù aùi löïc oxy thaáp hôn caùc NOB (0.63 mg O2/l so vôùi 1.32mg O2/l) neân ôû ñieàu kieän oxy haïn cheá, AOB seõ chieám öu theá (Jayamohan et al., 1988). II.3.1.1. Ñoäng Hoïc Cuûa Quaù Trình Nitrate Hoùa. [20], [22] Toác ñoä taêng tröôûng cuûa Nitrobacter cao hôn Nitromonas. Do ñoù, giai ñoaïn toác ñoä giôùi haïn trong quaù trình nitrate hoùa laø söï chuyeån hoùa ammonium thaønh nitrite bôûi Nitrosomonas Phöông trình sau ñaây moâ taû söï taêng tröôûng theo Monod Trong ñoù : Toác ñoä taêng tröôûng, rieâng (ngaøy -1) Toác ñoä taêng tröôûng cöïc ñaïi (ngaøy -1) N=[NH4+]:noàng ñoä NH4+, mg/l KN :haèng soá baùn baõo hoøa cuûa NH4+,mg/l [DO] : noàng ñoä oxy hoøa tan, mg/l Ko :haèng soá baùn toác ñoä cuûa oxy , mg/l Ko :ñöôïc öôùc löôïng 0.15 – 2 mg/l phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä . Vi khuaån nitrate hoùa (0.006 – 0.035 h-1) thaáp hôn nhieàu so vôùi µmax cuûa moâi tröôøng hoãn hôïp cuûa caùc vi khuaån dò döôõng söû duïng cô chaát laø glucose (0.18 – 0.38 h-1). Saûn löôïng teá baøo cuûa vi khuaån nitrate hoùa cuõng thaáp hôn vi khuaån dò döôõng. Saûn löôïng toái ña Nitrosomonas laø 0.29, cuûa Nitrobacter thaáp hôn nhieàu khoaûng 0.08. tuy nhieân, caùc soá lieäu thí nghieäm thaáp hôn nhieàu, thay ñoåi töø 0.04 – 0.13 ñoái vôùi Nitrosomonas vaø 0.02 – 0.07 ñoái vôùi Nitrobacter. Do ñoù, trong moâi tröôøng nitrate hoùa, Nitrosomonas hieän dieän vôùi soá löôïng lôùn hôn nhieàu so vôùi Nitrobacter. Quaù trình nitrate hoùa thích hôïp vôùi nöôùc thaûi ñaàu ra cuûa caùc coâng trình xöû lyù sinh hoïc coù BOD thaáp vaø noàng ñoä ammonium cao. Quaù trình taêng tröôûng hieáu khí lô löûng laø thích hôïp nhaát cho söï nitrate hoùa nöôùc thaûi ñaàu ra. Söï nitrate hoùa xaåy ra trong beå hieáu khí( thôøi gian löu nöôùc laø h) vaø buøn chöùa löôïng lôùn vi khuaån nitrate hoùa ñöôïc tuaàn hoaøn ñeå duy trì hoaït tính nitrate hoùa cao. II.3.1.2. Caùc Ñieàu Kieän Toái Öu Cho Quaù Trình Nitrate Hoùa Khoaûng pH cho pheùp, (95% nitrate hoùa) 7.2 – 8.4 Nhieät ñoä cho pheùp (95% nitrate hoùa ), oC 15 - 35 Nhieät ñoä toái öu oC, (öôùc tính) 30 Oxy hoøa tan ôû löu löôïng toái ña, (mg/l) >1 MLVSS, (mg/l) 1200 – 2500 Kim loaïi naëng (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr), (mg/l) < 5 Caùc hôïp chaát phenol coù halogen, (mg/l) 0 Caùc dung moâi halogen, (mg/l) 0 Phenol vaø cresol, (mg/l) < 20 Cyanide vaø hôïp chaát giaûi phoùng acidhydrocyanide, (mg/l) < 20 Nhu caàu oxy, (mg/l) 4.6 II.3.2. Quaù Trình Khöû Nitrate Ởû giai ñoaïn denitrat hoùa, nitrat ñöôïc khöû thaønh nitrit roài thaønh khí nitô (N2) qua moät soá saûn phaåm trung gian khaùc. Giai ñoaïn naøy xaûy ra trong ñieàu kieän kî khí. Quaù trình khöû caàn söï hieän dieän cuûa caùc hôïp chaát höõu cô nhö laø nguoàn cho ñieän töû. Caùc chaát höõu cô thöôøng söû duïng goàm methanol, etanol, acetate, glucose,.. (nguoàn carbon ngoaøi) hay chính caùc chaát höõu cô trong nöôùc thaûi (nguoàn carbon noäi). Caùc phaûn öùng chuyeån hoùa trong tröôøng hôïp nguoàn carbon laø methanol nhö sau 6 NO3- + 2 CH3OH " 6 NO2- + 2 CO2 + 4 H2O (5) 6 NO2- + 3 CH3OH " 3 N2 + 3 CO2 + 3 H2O + 6 OH- (6) 6 NO3- + 5 CH3OH " 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- (7) Phaûn öùng toång theå cuûa giai ñoaïn denitrat hoùa coù tính ñeán söï ñoàng hoùa nitô cho sinh tröôûng teá baøo coù daïng [20],[27] NO3- + 1.08 CH3OH + H+ " 0.065 C5H7NO2 + 0.47 N2 + 0.76 CO2 + 2.44 H2O (8) Ñoùng vai troø trong quaù trình denitrat hoùa laø caùc vi khuaån thuoäc caùc chi Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, . . . Veà maët kyõ thuaät, caùc heä thoáng xöû lyù nitô truyeàn thoáng coù theå ñöôïc thieát kế theo trình töï nitrat hoùa – denitrat hoùa (post-denitrification) hay ngöôïc laïi (pre-denitrification). Trong tröôøng hôïp thöù nhaát, nguoàn carbon beân ngoaøi phaûi ñöôïc cung caáp cho beå denitrat hoùa: coøn trong tröôøng hôïp thứ hai, phaûi caàn moät doøng hoài löu lôùn (R=2-3) töø beå nitrat hoùa. Hình 1: Caùc sô ñoà heä thoáng N/DN xöû lyù nitô Maëc duø ñöôïc phaùt trieån ñaõ töø laâu vaø hieän vaãn coøn öùng duïng roäng raõi, caùc heä thoáng nitrat hoùa – denitrat hoùa (N/DN) boäc loä nhieàu haïn cheá sau ñaây, nhaát laø veà phöông dieän kinh teá khi aùp duïng xöû lyù nöôùc thaûi coù haøm löôïng nitô cao vaø carbon thaáp nhö nöôùc ræ raùc, nöôùc laéng beå phaân huûy buøn, beå biogas, . . . Nhu caàu oxy cao cho giai ñoaïn nitrat hoùa. Theo phaûn öùng (4) thì nhu caàu oxy laø 4.2 g-O2/g N-NH4 ñöôïc oxy hoùa ñeán nitrat. Ví duï trong xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoaït, khi keát hôïp nitrat hoùa vôùi oxy hoùa loaïi BOD trong cuøng beå hoaït tính thì phaûi taêng gaáp ñoâi löôïng oxy cung caáp so vôùi chæ rieâng muïc ñích oxy hoùa carbon höõu cô. Nhu caàu boå sung nguoàn carbon höõu cô cho giai ñoaïn denitrat hoùa. Theo phaûn öùng (8), nhu caàu methanol seõ laø 2.47 g cho 1 g N-NO3 ñöôïc denitrat hoùa. Nhu caàu naøy thöôøng laøm cho giaù thaønh quaù trình xöû lyù taêng cao, nhaát laø vôùi nöôùc thaûi coù haøm löôïng nitô cao. Nhu caàu boå sung ñoä kieàm. Giai ñoaïn nitrat hoùa ñoøi hoûi tieâu thuï ñoä kieàm 7.14g CaCO3/g N-NH4 ñöôïc oxy hoùa. Cho neân neáu nöôùc thaûi khoâng ñuû ñoä kieàm thì seõ phaûi boå sung baèng muoái carbonat. Hai giai ñoaïn nitrat hoùa vaø denitrat hoùa xaûy ra vôùi hai ñieàu kieän ngöôïc nhau: hieáu khí – kî khí, töï döôõng – dò döôõng. Do vaäy, hai giai ñoaïn phaûi tieán haønh trong caùc beå phaûn öùng rieâng bieät vaø söï vaän haønh, kieåm soaùt quaù trình cuûa heä thoáng xöû lyù nitô truyeàn thoáng ñoøi hoûi phöùc taïp. Ví duï, trong khi ôû giai ñoaïn nitrat hoùa caàn duy trì DO toái thieåu laø 2 mg/l thì ôû giai ñoaïn denitrat hoùa phaûi khoáng cheá DO döôùi 0.3 mg/l. Trong nhieàu naêm qua, ñaõ coù nhöõng nghieân cöùu nhaèm caûi tieán kyõ thuaät N/DN truyeàn thoáng, chuû yeáu laø laøm taêng hieäu quaû xöû lyù ôû caùc giai ñoaïn nitrat hoùa vaø denitrat hoùa nhö söû duïng vaät lieäu baùm cho vi sinh vaät, boá trí nhieàu taàng hieáu khí / kî khí, caáp nöôùc thaûi vaøo ôû nhieàu vò trí doïc theo beå, toái öu hoùa thieát keá. . . Moät höôùng caûi tieán khaùc laø nhaém vaøo thay ñoåi con ñöôøng chuyeån hoùa. Ví duï ñieån hình laø quaù trình loaïi nitô “ ñöôøng ñi taét” (SNBR= shortcut biological nitrogen removal), töùc laø denitrit hoùa (khöû veà nitô phaân töû töø nitrit) thay cho denitrat hoùa, ñeå giaûm bôùt nhu caàu oxy caàn cho giai ñoaïn oxy hoùa nitrit vaø nhu caàu carbon höõu cô cho giai ñoaïn khöû nitrat veà nitrit. Heä thoáng SNBR cho pheùp giaûm 25% nhu caàu oxy vaø khoaûng 40% nhu caàu carbon höõu cô. [20],[22],[29] Tuy nhieân, veà caên baûn caùc phöông aùn caûi tieán treân ñeàu vaãn döïa treân söï keát hôïp 2 giai ñoaïn töï döôõng vaø dò döôõng, nghóa laø vaãn caàn cung caáp nguoàn carbon höõu cô. Töø nhöõng naêm 1990, söï phaùt hieän ra phaûn öùng oxy hoùa kî khí ammonium (Anammox) ñaõ cho pheùp phaùt trieån caùc heä thoáng xöû lyù nitô hoaøn toaøn töï döôõng Hình 2: Moâ taû sô ñoà nguyeân taéc caùc quaù trình xöû lyù loaïi nitô bao goàm heä thoáng N/DN truyeàn thoáng vaø caùc heä thoáng caûi tieán Baûng 5: cho pheùp so saùnh moät vaøi thoâng soá vaän haønh ñaëc tröng cuûa caùc heä thoáng xöû lyù nitô truyeàn thoáng vaø caûi tieán khaùc nhau. Heä thoáng Taûi löôïng (kg-N/ha/d) Tieâu thuï naêng löôïng (kWh/kg-N) COD/N Taïo sinh khoái (kg khoâ/ kg -N) Hieäu suaát loaïi toång N (%) N/DN buøn hoaït tính truyeàn thoáng 200 -700 2.31) 3 -6 1 -1.2 > 75 SNBR buøn hoaït tính 200 -700 1.71) 2 -4 0.8 -0.9 > 75 Buøn hoaït tính hoaøn toaøn töï döôõng > 200-700 0.9 0 < 0.1 > 75 Ao taûo 15 -30 0.1 -1 6 -7 10 -15 23 -78 Ao beøo 3 -4 < 0.1 28 20 -26 74 -77 Caùnh ñoàng ngaäp nhaân taïo 3 -26 < 0.1 2 -7 - 30 -70 Chæ tính ñieän naêng tieâu thuï cho thoâng khí, vôùi hieäu suaát 2 kg O2/kWh. (Nguoàn: Mulder, 2003) II.4. Caùc Phöông Phaùp Xöû Lyù Ammonium II.4.1. Phöông Phaùp Khöû Ammonium Sinh Hoïc Phöông phaùp khöû ammonium sinh hoïc döïa treân caùc quaù trình sinh hoïc sau: Quaù trình ñoàng hoaù: Khöû ammonium baèng sinh vaät dò döôõng ammonium nhö naám moác, vi khuaån, xaï khuaån, naám men, taûo… tham gia vaøo caùc quaù trình thuyû giaûi ñaïm phöùc taïp thaønh ñaïm ammonium vaø ñoàng hoaù ñeå phaùt trieån sinh khoái Quaù trình dò hoaù: Khöû ammonium baèng vi khuaån töï döôõng hoaù naêng như laø vi khuaån Nitrosomonas, Nitrobacter...Chuùng söû duïng oxy ñeå chuyeån hoaù ammonium thaønh nitrat vaø thu naêng löôïng Quaù trình töï döôõng cuûa vi khuaån nitrat hoaù ñöôïc tieán haønh nhö sau: NH4+ + 1,5 O2 Nitrosomonas NO2 + 2H+ + H2O + 273KJ NO2- + 0,5 O2 Nitrobacter NO3- + 75KJ Vaø toaøn boä: NH4+ + 2 O2 Vi khuaån NO3 + 2 H+ + H2O + 350KJ Naêng löôïng sinh ra ñeå thöïc hieän caùc quaù trình sinh toång hôïp taïo teá baøo môùi vaø 1 phaàn thoaùt nhieät. Ñieàu kieän toái öu cho söï phaùt trieån caùc vi khuaån nitrat hoaù laø pH:7,5; DO:0,5mg/l; to:5-40oC. Ammonium ñöôïc xöû lyù baèng nhieàu phöông phaùp khaùc nhau, vôùi caùc quaù trình treân thì chæ xöû lyù ammonium ôû taûi troïng trung bình coøn vôùi coâng ngheä môùi thì coù theå xöû lyù taûi troïng ammonium cao hôn maø ñôn giaûn vaø ít tieâu toán naêng löôïng Hình 3: Sô ñoà chuyeån hoaù ammonium II.4.2. Phöông Phaùp Hoùa Lyù Coù theå loaïi boû nitô baèng phöông phaùp hoùa lyù, phöông phaùp naøy döïa treân nguyeân lyù veà söï caân baèng cuûa ion ammonium vaø khí ammoniac trong dung dòch. Ñöa ñoä pH cuûa nöôùc thaûi leân tôùi giaù trò pH = 11 baèng caùch cho theâm voâi vaøo ñeå chuyeån NH4+ thaønh NH3 trong nöôùc vaø ñöôïc loaïi boû baèng chöng caát loâi cuoán hôi nöôùc. Tuy nhieân ngöôøi ta thöôøng söû duïng phöông phaùp naøy ñeå keát hôïp loaïi boû photpho. Thöïc teá ít söû duïng vì voán ñaàu tö lôùn, toán naêng löôïng ñieän söû duïng ñeå ñun noùng, ngoaøi ra caën nhaïy caûm vôùi nhieät ñoä vaø deã keát tuûa neân khoâng deã daøng vaän haønh vaø baûo trì thieát bò. II.4.3. Phöông Phaùp Oxy Hoaù Kò Khí Ammonium (ANAMMOX) II.4.3.1. Söï phaùt hieän phaûn öùng Anammox Thaät ra, phaûn öùng anammox ñaõ ñöôïc döï baùo töø tröôùc khi ñöôïc phaùt hieän [22]. Treân cô sôû tính toaùn nhieät ñoäng hoïc, Broda ñaõ döï baùo söï toàn taïi cuûa caùc vi khuaån töï döôõng hoùa naêng coù khaû naêng oxy hoùa ammonium bôûi nitrat, nitrit vaø thaäm chí veà maët naêng löôïng coøn deã xaûy ra hôn söï oxy hoùa bôûi oxy phaân töû NH4+ + NO2- " N2 + 2 H2O G0 = -357 kJ/mol (9) 5 NH4+ + 3 NO3- " 4 N2 + 9 H2O + 2 H+ G0 = -297 kJ/mol (10) NH4+ + 1.5 O2 " NO2- + 2 H+ + H2O G0 = -275 KJ/mol (11) Maõi 17 naêm sau ñoù, baèng chöùng thöïc teá ñaàu tieân cuûa phaûn öùng anammox môùi ñöôïc phaùt hieän ôû moät beå denitrat hoùa xöû lyù nöôùc laéng cuûa beå phaân huûy buøn taïi Gist-brocades (Delft, Haø Lan) [28]. Qua theo doõi caân baèng nitô, caùc taùc giaû ñaõ phaùt hieän thaáy söï giaûm ñoàng thôøi noàng ñoä ammonium vaø noàng ñoä nitrat, nitrit cuøng söï taïo thaønh nitô phaân töû ôû ñieàu kieän kî khí. Trong moät vaøi naêm tieáp theo, nhoùm Ñaïi hoïc Kyõ thuaät Deft (TU-Deft) ñaõ coù caùc nghieân cöùu xaùc nhaän vaø moâ taû ban ñaàu veà anammox ñöôïc coâng boá [20], [22], [27]. Theo ñoù, anammox ñöôïc xaùc ñònh coù baûn chaát laø quaù trình sinh hoïc, ammonium ñöôïc oxy hoùa döôùi ñieàu kieän kî khí vôùi nitrit laø phaàn nhaän ñieän töû, taïo thaønh nitô phaân töû. Tieáp theo phaùt hieän cuûa nhoùm TU-Deft, phaûn öùng anammox cuõng ñaõ laàn löôït ñöôïc phaùt hieän vaø xaùc nhaän treân caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi bôûi caùc nhaø nghieân cöùu ôû caùc nôi khaùc nhö Ñöùc (Schmid et al., 2000); Nhaät (Furukawa et al., 2000); Thuïy Só (Egli et al., 2001); Bæ (Pynaert et al., 2002); Anh (Schmid et al., 2003). [20] Söï phaùt hieän vi khuaån Anammox ôû caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi ñaõ daãn caùc nhaø khoa hoïc ñeán söï tìm kieám trong caùc heä sinh thaùi töï nhieân. Phaûn öùng anammox ñaõ ñöôïc chöùng minh ñoùng ñeán 50% vai troø trong vieäc taïo khí nitô trong traàm tích bieån Baltic [27], trong vuøng nöôùc thieáu khí döôùi ñaùy ñaïi döông ôû Costa Rica, [27]. Caùc vi khuaån Anammox thuoäc moät chi môùi ñaõ ñöôïc phaùt hieän trong vuøng nöôùc gaàn ñaùy Bieån Ñen [23]. Treân cô sôû caùc phaùt hieän vi khuaån vaø phaûn öùng anammox, chu trình chuyeån hoùa nitô töï nhieân coù trong saùch giaùo khoa töø laâu nay ñaõ ñöôïc boå sung moät maéc xích môùi vaø ñöôïc vieát laïi. Hình 4: Chu trình nitô môùi coù theâm maéc xích anammox Caùc nghieân cöùu moâ taû chi tieát veà hoùa sinh hoïc, vi sinh hoïc, sinh hoïc phaân töû, . . . cuûa anammox tieáp tuïc phaùt trieån maïnh töø cuoái thaäp nieân 1990 ñeán nay, ñaõ laøm roõ nhieàu khía caïnh cuûa anammox veà maët hoùa sinh hoïc, vi sinh hoïc, sinh hoïc phaân töû, …. II.4.3.2. Hoùa Sinh Hoïc Cuûa Anammox Phöông Trình Phaûn Öùng Nhö ñaõ noùi ôû treân, phaûn öùng anammox ñaõ ñöôïc xaùc nhaän laø söï oxy hoùa ammonium bôûi nitrit, phaûn öùng hoùa hoïc ñôn giaûn vôùi tæ leä mol NH4+ : NO3- = 1:1 nhö ôû phöông trình (9). Treân cô sôû caân baèng khoái löôïng töø thí nghieäm nuoâi caáy laøm giaøu vôùi kyõ thuaät meû lieân tuïc (SBR), coù tính ñeán söï taêng tröôûng sinh khoái, phaûn öùng anammox ñöôïc xaùc ñònh vôùi caùc heä soá tæ löôïng nhö sau [20] NH4+ + NO2- Anammox N2 + 2 H2O Cuï theå laø: NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13 H+ " 1.02 N2 + 0.26NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O (12) Trong ñoù söï taïo thaønh löôïng nhoû nitrat töø nitrit ñöôïc giaû thieát laø ñeå sinh ra caùc ñöông löôïng khöû khi ñoàng hoùa CO2. Phöông trình naøy ñaõ ñöôïc chaáp nhaän roäng raõi nhö laø ñaïi dieän cho phaûn öùng anammox khi tính toaùn, giaûi thích,. . . Cô Cheá Sinh Hoùa Cô cheá chuyeån hoùa noäi baøo cuûa phaûn öùng anammox ñeán nay vaãn chöa ñöôïc laøm saùng toû hoaøn toaøn. Cô cheá sinh hoùa cuûa anammox ñöôïc ñeà nghò nhö hình döôùi ñaây [22] Hình 5. Cô cheá sinh hoùa quaù trình anammox NR: enzyme khöû nitrit (saûn phaåm giaû thieát laø NH2OH); HH: hydrazine hydrolase, enzyme xuùc taùc taïo hydrazyne töø amoâni vaø hydroxylamine; HZO: enzyme oxy hoùa hydrazine (töông töï enzyme hydroxylamine oxidoreductase töùc HAO ôû caùc Nitrosomonas);Cytoplasm:teá baøo chaát Theo ñoù, quaù trình ñi qua saûn phaåm trung gian laø hydrazine (N2H4). HZO, moät enzyme töông töï nhö HAO trong oxi hoùa hieáu khí ammonium, seõ xuùc taùc cho söï oxy hoùa hydrazine thaønh nitô phaân töû (G0 = -288 kJ/mol). Caùc ñieän töû töø quaù trình oxy hoùa naøy (4 e-) seõ ñöôïc vaän chuyeån ñeán cho söï khöû nitrit thaønh hydroxylamine vôùi moät enzyme taïm goïi laø NR (G0 = -22.5 kJ/mol). Hydroxylamine taïo ra seõ phaûn öùng ngöng tuï vôùi ammonium taïo ra hydrazine môùi (xuùc taùc bôûi enzyme HH,), (G0 = -46 kJ/mol). Chu trình xuùc taùc cöù theá seõ ñöôïc laëp laïi. Caùc baèng chöùng ban ñaàu cho thaáy phaûn öùng ngöng tuï ammonium vôùi hydroxylamine vaø oxy hoùa hydrazine xaûy ra beân trong moät theå goïi laø anammoxosome. Anammoxosome naèm trong teá baøo chaát , bao boïc bôûi maøng caáu taïo töø lipid ladderane, coù theå phaân laäp ñöôïc nguyeân veïn töø teá baøo anammox [20]. Caùc ñaëc ñieåm, chöùc naêng cuûa anammoxosome vaãn coøn ñang ñöôïc tieáp tuïc nghieân cöùu vaø ñöôïc coi laø moät trong caùc vaán ñeà thuù vò cuûa sinh hoïc teá baøo [22]. Hình 6 cho thaáy sô ñoà phaân khoang cuûa teá baøo anammox, vôùi vò trí cuûa anammoxosome. Hình 6: Sô ñoà phaân khoang teá baøo anammox Cell wall: thaønh teá baøo, Intracytoplasm: maøng trong teá baøo chaát, Cytoplasmic membrane: maøng teá baøo chaát, Nucleoid: theå nhaân. Moät ñieåm khaù thuù vò lieân quan ñeán enzyme ñaëc tröng HZO cuûa vi khuaån anammox. HZO ñöôïc bieát coù caáu truùc töông töï HAO trong caùc vi khuaån Nitrosomonas, töùc laø chöùa caùc cytochrome c (cyt c) vôùi caùc haem c vaø haem haáp thuï maïnh ôû 468 nm (töông töï P460 cuûa HAO) [27]. Vì ion trung taâm cuûa caùc haem naøy laø saét (FeII vaø FeIII), neân caùc vi khuaån anammox coù maøu ñoû ñaëc tröng neáu quaàn tuï ôû maät ñoä lôùn. Vieäc quan saùt söï xuaát hieän maøu ñoû laø moät chæ daáu toát cho söï phaùt hieän vi khuaån anammox. Hình 7: Cô cheá chuyeån hoaù cuûa anammox II.4.3.3. Vi Sinh Hoïc Cuûa Anammox II.4.3.3.1. Ñònh Danh Vaø Phaân Loaïi Vi Khuaån Anammox Ñeán nay ñaõ coù 3 chi cuûa vi khuaån anammox ñöôïc phaùt hieän, goàm Brocadia, Kuenenia vaø Scalindua. Veà maët phaân loaïi, caùc vi khuaån anammox laø nhöõng thaønh vieân môùi taïo thaønh phaân nhaùnh saâu cuûa ngaønh Planctomycetes, boä Planctoycetales [20],[28] ÔÛ tröôøng hôïp phaùt hieän ñaàu tieân, buøn kî khí ñöôïc nuoâi caáy laøm giaøu baèng phöông phaùp meû lieân tuïc (SBR), vi khuaån ñöôïc taùch baèng kyõ thuaät ly taâm gradient tyû troïng, chieát xuaát DNA, roài tieán haønh phaân tích trình töï 16S rDNA. Keát quaû phaân tích trình töï cho thaáy vi khuaån thuoäc vaøo phaân nhaùnh Planctomycete saâu vaø vi khuaån ñaõ ñöôïc ñaët teân laø Candidatus Brocadia anammoxidans. Brocadia laáy töø teân cuûa nôi ñaët traïm xöû lyù pilot ñaõ phaùt hieän ra vi khuaån, Gist-brocades [22]. Planctomycetales ñöôïc bieát laø moät nhoùm caùc vi khuaån coù nhieàu ñaëc ñieåm rieâng bieät nhö thaønh teá baøo khoâng chöùa peptidoglycan, sinh saûn baèng ñaâm choài, phaân khoang noäi baøo,. . .[28] Treân cô sôû phaân tích 16S rDNA, naêm 2000, caùc vi khuaån anammox ñöôïc phaùt hieän ôû heä thoáng xöû lyù RBC ôû Stuttgart (Ñöùc) ñöôïc xaùc ñònh laø môùi (ñoä töông töï döôùi 90% so vôùi B. Anammoxidans) vaø ñöôïc ñaët teân laø Candidatus Kuenenia stuttgartiensis (Schmid et al.,2000). Sau ñoù, vi khuaån anammox ñöôïc phaùt hieän ôû Thuïy Só (Egli et al., 2001):,Bæ (Pynaert et al., 2002 cuõng ñöôïc xaùc ñònh chính laø Candidatus Kuenenia stuttgartiensis). [20],[22], ÔÛ PTN thuoäc ÑH Kumamoto (Nhaät Baûn), trong quaù trình nuoâi caáy lieân tuïc ôû ñieàu kieän kî khí, töï döôõng, treân vaät lieäu baùm laø moät daïng polyester ñöôïc thieát keá ñaëc bieät (non-woven), phaûn öùng anammox vaø daáu hieäu maøu ñoû ñaëc tröng cuûa vi khuaån anammox ñaõ ñöôïc phaùt hieän [21]. Keát quaû phaân tích trình töï 16S rDNA treân vi sinh vaät töû maøng sinh hoïc sau ñoù ñaõ phaùt hieän caùc vi khuaån anammox chæ coù ñoä töông töï 92.2% vôùi C.Brocadia anammoxidans vaø töông töï raát thaáp vôùi caùc nhoùm khaùc ñaõ bieát tröôùc ñoù. Treân cô sôû ñoù, moät doøng anammox môùi, kyù hieäu laø KSU-1 ñaõ ñöôïc xaùc laäp trong caùc planctomycetes [21]. Laàn ñaàu tieân, vi khuaån anammox ñöôïc phaùt hieän trong heä sinh thaùi töï nhieân laø vuøng nöôùc ngheøo oxy ôû Bieån Ñen. Keát quaû phaân tích trình töï 16S rDNA cho thaáy 87.9% vaø 87.6% töông töï vôùi caùc vi khuaån Kuenenia vaø Brocadia ñaõ bieát, nghóa laø vi khuaån phaùt hieän ñöôïc laø moät chi khaùc, vaø ñaõ ñöôïc ñaët teân laø Candidatus Scalindua sorokinii [20] Caùc loaøi anammox khaùc ñaõ ñöôïc phaùt hieän töû ñóa quay sinh hoïc nitrat hoùa taïi moät nhaø maùy xöû lyù nöôùc thaûi ôû Pitsea ( Anh). Keát quaû moâ taû vaø phaân tích trình töï 16S RNA cho thaáy chuùng thuoäc cuøng chi Scalindua, vaø ñaõ ñöôïc ñaët teân laø Candidatus “Scalindua brodae”, Candidatus “Scalindua wagneri”. Ñoä töông töï cuûa trình töï 16S rRNA giöõa 2 loaøi laø 93% [29]. Moät trong caùc vaán ñeà laø caùc vi khuaån anammox sinh tröôûng raát chaäm (thôøi gian nhaân ñoâi hôn 3 tuaàn), neân vieäc nuoâi caáy, phaân laäp gaëp nhieàu khoù khaên. Tuy nhieân, nhôø vaøo kyõ thuaät sinh hoïc phaân töû, vieäc phaùt hieän tröïc tieáp treân maãu soáng (in situ) vaø ñònh danh caùc vi khuaån anammox ñaõ ñöôïc thöïc hieän thuaän lôïi. Haøng chuïc “cöïc doø” nucleotide (oligonucleotide probes) duøng cho vieäc phaùt hieän baèng FISH (fluorescent in situ hybridization) vaø nhieàu ñoaïn moài (primers) ñaëc tröng cho phaûn öùng PCR khueách ñaïi gen 16S rDNA cuûa vi khuaån anammox ñaõ ñöôïc thieát keá [22], [24] Moät vaán ñeà toàn taïi ñang ñöôïc tieáp tuïc nghieân cöùu laø maëc duø giöõa 3 chi anammox ñaõ bieát coù chung toå tieân, nhöng hôi xa nhau veà maët tieán hoùa ( ñoä töông töï nhoû hôn 85% döïa treân 16S rDNA); trong khi chuùng coù nhöõng töông ñoàng veà maët tuyùp (phenotype): Sinh tröôûng vôùi toác ñoä chaäm nhö nhau, ñeàu coù anammoxosome, lôùp maøng chöùa caùc lipid ladderance.[28] Hình 8: Caây phaùt sinh loaøi cuûa caùc vi khuaån anammox quan heä giöõa caùc chi vaø doøng coù hoaït tính anammox II.4.3.3.2. Moät Soá Ñaëc Ñieåm Sinh Lyù Cuûa Vi Khuaån Anammox Anammox ñöôïc bieát coù theå hoaït ñoäng trong khoaûng nhieät ñoä töø 20 ñeán 430C ( toái öu ôû 400C), pH 6.4 – 8.3 ( toái öu ôû pH 8.0). ÔÛ ñieàu kieän toái öu, toác ñoä tieâu thuï cô chaát rieâng cöïc ñaïi laø 55 mmol NH4-N/g protein/min. AÙi löïc vôùi caùc cô chaát ammonium vaø Nitrit raát cao (haèng soá aùi löïc döôùi 10 mM). ÔÛ noäng ñoä 100 mM, ammonium vaø nitrat khoâng öùc cheá bôûi nitrit ôû noàng ñoä treân 20 mM. Khi tieáp xuùc vôùi noàng ñoä nitrit treân 5 mM trong thôøi gian daøi (12h), hoaït tính anammox bò maát hoaøn toaøn. Tuy nhieân hoaït tính seõ ñöôïc hoài phuïc khi theâm löôïng veát (50 mM) moät trong caùc saûn phaåm trung gian cuûa phaûn öùng anammox laø hydrazin hay hydrolamin. Hoaït tính anammox bò öùc cheá hoaøn toaøn ôû noàng ñoä oxy treân 0.5% baõo hoaø khoâng khí [20],[22] Thoâng soá Ñôn vò Anammox NH4+ +NO2- ® N2 AOB NH+4 + O2 ® NO-2 DG0 kJ/mol -357 -275 Y mol-C/mol-N 0.066 0.08 qmax hieáu khí nmol/min/mg/protein 0 200 – 600 qmax kî khí nmol/min/mg/protein 60 2 mmax /h 0.003 0.04 DT ngaøy 10.6 0.73 Ks (NH4+) mM 5 5 – 2600 Ks (NO2-) mM <5 K.A Ks (O2) mM K.A 10-50 Baûng 6: Moät soá ñaëc tröng sinh lyù cuûa vi khuaån vaø phaûn öùng anammox Chuù thích :DG0 – naêng löôïng töï do, Y – hieäu suaát taïo sinh khoái, qmax – hoaït tính cöïc ñaïi, mmax – toác ñoä sinh tröôûng cöïc ñaïi, DT – thôøi gian nhaân ñoâi, Ks – heä soá aùi löïc, K.A: khoâng aùp duïng. [27] II.4.3.3.3. Caùc Yeáu Toá Kieåm Soaùt Quaù Trình Anammox. Caùc yeáu toá kieåm soaùt quaù trình anammox ñaõ ñöôïc coâng boá nhö sau:[20] Anammox hoaït ñoäng ôû ñieàu kieän nhieät ñoä töø 6 – 43 oC; pH töø 6.7 – 8.3 Ôû ñieäu kieän toái thích, löôïng tieâu thuï ammonium toái ña laø 55 µmol NH4/g protein/phuùt (59.4 mgNH4/g protein/h) Aùi löïc giöõa ammonium leân tôùi 1.4 g/l vaø nitrate khoaûng 6.2 g/l cuõng chöa laøm öùc cheá quaù trình anammox. Noàng ñoä nitrite cao hôn 0.92 g/l thì quaù trình bò öùc cheá ; ôû noàng ñoä nitrite cao hôn 0.23 g/l trong thôøi gian daøi (khoaûng 12 h) thì hoaït tính anammox bieán maát. Nhöng coù theå hoài phuïc quaù trình baèng caùch theâm moät löôïng nhoû baát kyø löôïng trung gian naøo trong 2 loaïi hydroxylamin hoaëc hydrazine . Quaù trình anammox bò öùc cheá hoaøn toaøn khi noàng ñoä oxy cao hôn 0.5%. Caùc chaát khoaùng vaø chaát dinh döôõng cuõng laøm taêng hoaït tính cuûa anammox. Caùc chaát ñoù laø KHCO3, KH2PO4, FeSO4, EDTA, Na2CO3. ngoaøi ra coøn boå sung theâm moät löôïng muoái canxi vaø magine vôùi noàng ñoä 120 – 180 mg/l. II.4.3.3.4. Sinh hoïc phaân töû cuûa vi khuaån Anammox. [20], [28] Ñeå nghieân cöùu veà maët sinh hoïc phaân töû cuûa vi khuaån anammox, ngöôøi ta duøng phöông phaùp xaùc ñònh caáu truùc DNA vaø RNA. Thí nghieäp ñöôïc tieán haønh döïa treân caùc maãu laáy ra töø moät heä thoáng SBR. Nhaän thaáy raèng hôn 70% sinh khoái trong heä thoáng ñöôïc caáu taïo bôûi moät loaïi vi khuaån coù theå deã daøng nhaän ra veà maët hình daùng. Nhöõng noã löïc trong vieäc phaân tích vi sinh vaät theo caùch truyeàn thoáng nhaèm xaùc ñònh caáu truùc phaân töû cuûa chuùng ñeà bò thaát baïi. Sau naøy, ngöôøi ta duøng moät phöông phaùp vaät lyù hieän ñaïi, theo phöông phaùp naøy vi khuaån ñöôïc phaân tích töø hoãn hôïp baèng caùch ly taâm maãu. Trình töï DNA cuûa maãu ñem ñi xaùc ñònh raát gioáng vôùi trình töï caáu truùc di truyeàn cuûa Planctomycete. Loaïi vi khuaån môùi ñöôïc tìm thaáy coù khaû naêng oxy hoùa ñöôïc ammonium trong ñieàu kieän yeám khí naøy ñöôïc ñaët teân laø Candidatus Brocadia Anammoxidans. Trình töï DNA ñaõ ñöôïc xaùc ñònh nhö ñaõ noùi ôû treân sau naøy ñöôïc ñeå doø tìm söï coù maët cuûa vi khuaån naøy cuûa caùc boä (genera) anammox töông töï trong caùc heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi. Trong khi ñoù B.anammoxidans laø loaïi vi khuaån coù lieân heä khaù gaàn vôùi noù, Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis ñaõ ñöôïc tìm thaáy trong nhieàu heä thoáng treân toaøn theá giôùi vaø coù veû nhö ñaây laø nhöõng loaïi vi khuaån chính trong coäng ñoàng vi sinh coù maët trong heä thoáng naøy. Nhoùm (order) planctomycete cho ñeán nay bao goàm 4 boä (genera) vôùi 7 loaøi (species) ñaõ ñöôïc ghi nhaän. Raát nhieàu trình töï DNA ñöôïc ghi nhaän, thöïc teá trong thôøi gian gaàn ñaây ñaõ chæ ra raèng coù theå coù nhöõng loaïi khaùc thuoäc veà nhoùm Planctomycete naøy, moät trong nhöõng loaïi ñoù laø vi khuaån anammox. Treân thöïc teá cuõng moät loaïi vi khuaån anammox coù teân laø K.struttgartiensis vöøa ñöôïc tìm thaáy laïi ñöôïc cho vaøo moät nhoùm rieâng bieät, vì theo caáu truùc DNA cuûa noù coù söï gioáng nhau veå maët di truyeàn ít hôn 90% so vôùi Brocadia Anammoxidans ñaõ noùi ôû treân, ñieàu naøy chöùng toû söï khaùc nhau ôû möùc ñoä boä (genera|) giöõa 2 loaïi vi khuaån naøy. Caùc thieát bò trong ngaønh kyõ thuaät phaân töû laø nhöõng coâng cuï quan troïng ñeå phaùt hieän söï coù maët vaø theo doõi caùc hoïat ñoäng cuûa vi sinh vaät trong heä sinh thaùi. Ví duï toác ñoä sinh tröôûng cuûa nhieàu loaøi vi khuaån coù theå ñöôïc suy ra töø noàng ñoä ribosome coù trong heä thoáng ñoù. Tuy nhieân phöông phaùp naøy khoâng aùp duïng ñöôïc cho nhöõng loaøi vi khuaån sinh tröôûng chaäm nhö Anammox vaø Nitrosomonas. Trong tröôøng hôïp naøy, noàng ñoä cuûa rRNA laø moät chaát chæ thò khaù toát cho caùc hoïat ñoäng sinh lyù cuûa cô theå. Do ñoù, ñoaïn RNA giöõa vuøng rRNA 16Si vaø 23 S ñöôïc choïn ñeå laøm chaát chæ thò naøy (ñoaïn naøy ñöôïc goïi laø ISR). Caùc thí nghieäm vôùi B.anammoxidans chuùng toû moät söï töông quan khaù toát giöõa caùc hoaït ñoäng chuyeån hoùa trong cô theå vaø noàng ñoä ISR, ñieàu naøy chöùng minh ñöôïc raèng gaàn ñaây laø moät phöông phaùp toát ñeå theo doõi vaø phaùt hieän caùc thay ñoåi trong hoaït ñoäng cuûa vi sinh vaät. II.4.3.3.5. Moái lieân heä di truyeàn cuûa Anammox Hình 9: Moái lieân heä di truyeàn cuûa anammox Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-47)(AF 202655) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-47)(AF 202660) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-48)(AF 202663) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-19)(AF 202661) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-22)(AF 202662) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-14)(AF 202659) Candidatus Brocadia anammoxidans (AJ 131819) Uncultured anoxic sludge bacterium KU-1 (AB 054006), A8 Uncultured planctomycetes KSU-1 (AB057453, this study) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-48)(AF 202656) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-44)(AF 202657) Anaerobic ammonium-oxidizing planctomycete GR-WP33-41 (AJ296629) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-10) (AF 202658) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete KOLL2a (AJ250882) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP33-37 (AJ301578) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP54-11 (AJ296620) Uncultured anoxic sludge bacterium KU-2 (AB054007) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP33-59 (AJ296618) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP33-66 (AJ296619) II.4.4. Phaûn öùng gheùp SHARON – ANAMMOX. II.4.4.1. Quaù trình SHARON [27] Quaù trình SHARON ñöôïc öùng duïng trong caùc heä thoáng khöû nitô cho nöôùc thaûi töø caùc nhaø veä sinh vaø nhöõng nguoàn nöôùc thaûi coù haøm löôïng ammonium cao. SHARON (Single reator for High Activity Ammonium Removal Over Nitrite) laø thieát bò phaûn öùng ñôn duøng cho vieäc khöû ammonium coù hoaït tính cao thoâng qua nitrite. Quaù trình SHARON ñöôïc thöïc hieän trong moät thieát bò phaûn öùng ñôn giaûn, nhaèm loaïi boû ammonium thoâng qua quaù trình nitrate hoùa vaø khöû nitrate. Cuï theå laø bieán ammonium thaønh nitrite sau ñoù khöû nitrite thaønh khí nitô. Ñieàu naøy tieát kieäm ñöôïc löôïng cacbon höõu cô vaø naêng löôïng ñaùng keå. NH4+ + 1.5 O2 = NO2- + H2O + 2H+ Söï oxy hoùa NH4+ döøng laïi ôû NO2- baèng caùch taïo ra ñieàu kieän thích hôïp cho vi khuaån nitrate hoùa hoaït ñoäng. Söï oxy hoùa nitrite coù theå ñöôïc ngaên chaën khi taêng nhieät ñoä. Vi khuaån Nitrosomonas laø loaïi vi khuaån oxy hoùa ammonium thaønh nitrite, phaùt trieån vôùi toác ñoä cao hôn vi khuaån Nitrobacter laø loaïi tham gia trong quaù trình oxy hoùa nitrite thaønh nitrate. Ñieàu naøy ñöôïc söû duïng trong thieát keá heä thoáng SHARON. Baèng caùch choïn thôøi gian löu ñuû ngaén, luùc ñoù quaù trình nitrate hoùa ammonium seõ döøng laïi ôû söï taïo thaønh nitrite. Ñieàu kieän thích hôïp ñöôïc nghieân cöùu ñaõ ñöôïc öùng duïng cho nhaø maùy xöû lyù nöôùc thaûi ôû Haø Lan coù caùc thoâng soá sau: thôøi gian löu töø 1 – 2.5 ngaøy trong thieát bò SBR, nhieät ñoä töø 25 – 30 oC, pH 7 – 8.5 So saùnh quaù trình SHARON vôùi quaù trình khöû nitô thoâng thöôøng thoâng qua quaù trình nitrate hoùa vaø khöû nitrate. Nitrate hoùa: NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+ NH4+ + 1.5O2 = NO2- + H2O + 2H+ tieát kieäm 25% oxy Denitrate hoùa 6NO3- + 5CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 8HCO3- + 6H2 6NO2- + 3CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 6HCO3- + 3H2 Tieát kieäm 40% methanol II.4.4.2. Quaù trình CANON. [18] Trong töï nhieân luoân toàn taïi nhieàu loaïi vi sinh vaät coù tính chaát vaø chöùc naêng khaùc nhau. Thoâng thöôøng ngöôøi ta vaãn phaân ra hai loaïi hieáu khí vaø kî khí döïa vaøo möùc ñoä thích nghi vaø phaùt trieån cuûa chuùng trong ñieàu kieän moâi tröôøng coù oxy hay khoâng. Trong caùc coâng trình xöû lyù nöôùc thaûi, caùc vi sinh vaät hieáu khí vaø kî khí ñoùng vai troø quan troïng trong vieäc choïn coâng ngheä vaø thieát bò xöû lyù. Theo quan ñieåm töø tröôùc ñeán nay, chuùng phaûi ñöôïc cho vaøo hai moâi tröôøng khaùc nhau ôû hai ñieàu kieän khaùc nhau trong hai thieát bò phaûn öùng khaùc nhau ñeå thöïc hieän toát vai troø cuûa mình. Maõi ñeán nhöõng naêm gaàn ñaây, caùc nhaø coâng ngheä sinh hoïc ñaõ “ngheùp ñoâi” thaønh coâng hai loaïi vi khuaån hieáu khí vaø kî khí vaø ñieàu naøy laø moät böôùc ñoät phaù quan troïng coù yù nghóa raát lôùn ñeán söï phaùt trieån cuûa ngaønh coâng ngheä sinh hoïc noùi chung vaø kyõ thuaät moâi tröôøng noùi rieâng. Khi cuøng toàn taïi trong moät moâi tröôøng nhö vaäy, ngöôøi ta nhaän thaáy raèng chuùng coù theå duøng nöôùc thaûi giaøu ammonium laøm thöùc aên cho quaù trình sinh tröôûng vaø phaùt trieån. Ñaây laø moät döõ lieäu raát toát ñeå phaùt trieån moät kyõ thuaät môùi cho vieäc xöû lyù nöôùc thaûi giaøu ammonium tieát kieäm vaø hieäu quaû hôn. Khaùm phaù naøy cuûa caùc nhaø vi sinh vaät hoïc ôû tröôøng Ñaïi Hoïc DELFT (Haø Lan) ñöôïc goïi laø CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) coù nghóa laø quaù trình loaïi boû hoaøn toaøn Nitô töï döôõng coù söï tham gia cuûa nitrite. Thöïc teá vi khuaån trong nöôùc thaûi coù theå töï hoaït ñoäng maø khoâng caàn phaûi cung caáp theâm chaát dinh döôõng cho chuùng, chæ caàn theâm vaøo moâi tröôøng moät ít oxy khoâng khí. Loaïi vi khuaån anammox ñoû vaø moät loaïi nhoùm Nitrosomonas theo nghieân cöùu cuûa caùc nhaø khoa hoïc noùi treân hoaït ñoäng chung vôùi nhau khaù hieäu quaû. Quaù trình dieãn ra nhö sau: Vi khuaån anammox bieán nitrite thaønh nitô töï do, noù duøng ammonium laøm nguoàn cung caáp thöùc aên; trong khi ñoù vi khuaån thuoäc hoï Nitrosomonas tham gia vaøo quaù trình nitrate hoùa maø chuû yeán ôû giai ñoaïn chuyeån hoùa ammonium thaønh nitrite. Hai loaïi vi khuaån naøy laøm vieäc chung ñeå chuyeån hoùa ammonium trong nöôùc thaûi, laø moät chaát ñoäc vôùi caùc loaïi thuûy sinh nhö toâm caù, thaønh khí nitô töï do ñöôïc xem nhö laø voâ haïi vôøi moâi tröôøng. Khi nghieân cöùu quaù trrình treân, caùc nhaø khoa hoïc ñaõ ñöa ra nhaän xeùt raèng nhöõng phaàn töû hieáu khí ñaõ baûo veä nhöõng phaàn töû kî khí. Trong quaù trình hoaït ñoäng chung nhö vaäy, hai loaïi vi khuaån treân ñaõ taïo neân moät lôùp boâng buøn maø beân trong laø nhöõng phaàn töû kî khí, ñieàu naøy ñöôïc chöùng minh baèng caùch noàng ñoä oxy ñaõ khoâng phaùt hieän ñöôïc baèng ñaàu doø. Löông oxy ñöôïc cho vaøo vöøa ñuû ñeå oxy hoùa heát moät nöûa löôïng ammonium trong thieát bò phaûn öùng, löôïng naøy seõ chuyeån thaønh nitrite, löôïng ammonium coøn laïi seõ tham gia phaûn öùng vôøi nitrite sinh ra döôùi tac duïng cuûa anammox. Nhö vaäy löôïng oxy ñöôïc tính toaùn chính xaùc laø ñieàu kieän caàn thieát ñeå ñaït ñöôïc caân baèng giöõa ammonium vaø oxy. Neáu cho nhieàu oxy seõ daãn ñeán vieäc oxy hoùa caùc phaân töû khoâng mong muoán, caùc phaân töû naøy söû duïng oxy ñeå chuyeån hoùa nitrite thaønh nitrate. Hieän töôïng naøy gaây baát lôïi cho quaù trình xöû lyù nöôùc vì oâ nhieãm ammonium seõ chuyeån thaønh oâ nhieãm nitrate. II.4.4.3. Phaûn öùng gheùp SHARON – ANAMMOX. [22], [27] Ñaây laø moät kyõ thuaät môùi trong vieäc xöû lyù ammonium baèng phöông phaùp sinh hoïc. Vieäc keát hôïp hai quaù trình naøy laøm giaûm ñaùng keå taûi löôïng cuûa nhaø maùy xöû lyù nöôùc thaûi. Quaù trình naøy ñaõ ñöôïc nghieân cöùu thaønh coâng cho nhaø maùy xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoaït (nhaø veä sinh) Dokhven – Ha Lan. Nguyeân lyù Nguyeân taéc cuûa quaù trình keát hôïp laø chæ 50% N-NH4 trong nöôùc caàn xöû lyù bò oxy hoùa thaønh N-NO2. hoãn hôïp N-NH4 vaø N-NO2 laø ñaàu vaøo lyù töôûng cho quaù trình Anammox. Ñaàu ra cuoái cuøng laø N2 vaø nöôùc. Ñaàu vaøo laø nöôùc töø haàm phaân, to = 35oC, thôøi gian löu laø 1 ngaøy, khoâng caàn ñieàu chænh pH. Keát quaû nhö sau: Keát quaû cuûa thí nghieäm phaûn öùng SHARON. Chi tieâu Noàng ñoä TNK vaøo thieát bò SHARON N-NH4 ra thieát bò SHARON N-NO2 ra thieát bò SHARON 1156 519 547 Trong cuøng thôøi gian, thieát bò phaûn öùng anammox ñöôïc vaân haønh theo kieåu SBR. Trong thôøi gian ñaàu thöùc aên cung caáp töø dung dòch hoãn hôïp, sau ñoù ñöôïc laáy moät löôïng nhoû töø thieát bò SHARON vaø cuoái cuøng laø cung caáp thöùc aên hoaøn toaøn töø thieát bò SHARON. * thieát bò SHARON chuyeån hoùa NH4 thaønh NO2 hôn 50% * thieát bò phaûn öùng ANAMMOX ñöôïc vaän haønh theo kieåu SBR loaïi boû gaàn toaøn boä N töø thieát bò SHARON. Phaûn öùng gheùp SHARON – ANAMMOX laø moät kyõ thuaät coù nhieàu trieån voïng trong vieäc laøm giaûm taûi löôïng N cho caùc nhaø maùy xöû lyù nöôùc thaûi maø khoâng caàn phaûi söû duïng theâm baát cöù hoùa chaát naøo. CHÖÔNG III. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU III.1. Cô Sôû Lyù Thuyeát III.1.1. Hôïp Chaát Cuûa Nitô [2] Hôïp chaát nitô trong nöôùc töï nhieân laø nguoàn dinh döôõng cho caùc thöïc vaät thuûy sinh Trong thieân nhieân Nitô coù theå toàn taïi ôû caùc daïng sau: Caùc hôïp chaát nitô höõu cô daïng protein hay daïng saûn phaåm phaân raõ Amoniac hay caùc muoái Amonium nhö : NH4OH, NH4NO3, (NH4)2SO4,… Caùc hôïp chaát döôùi daïng NO2- vaø NO3- Nitô töï do Trong nöôùc coù theå xaûy ra caùc quaù trình bieán ñoåi oxy hoaù nhö sau: Protein NH4+ nitrosomonas NO2- nitrobacter NO3- khöû nitrat Oxy hoaù Nguyeân nhaân hình thaønh caùc loaïi ion naøy töông töï nhö nhau vaø coù theå chuyeån hoaù laãn nhau, do ñoù coù theå goäp laïi thaønh 1 nhoùm ñeå nghieân cöùu Nguoàn goác cuûa N-NH4, N-NO2 vaø N-NO3 trong nöôùc töï nhieân vaãn laø caùc chaát höõu cô phöùc taïp coù chöùc abumin baét nguoàn töø ñoäng vaät vaø thöïc vaät. Taùc duïng sinh hoaù phöùc taïp sinh ra vôùi söï tham gia cuûa caùc loaïi vi khuaån vaø men laøm cho abumin phaân giaûi thaønh axit amino vaø sau khi thuyû phaân seõ taùch ra khí NH3 R-CHNH2-COOH + H2O R-COOH + NH3 Söï hieän dieän cuûa N-NH4 trong nöôùc maët laø do söï phaân giaûi caùc chaát protit gaây ra, nhöng thöôøng do caùc vi khuaån nitrat hoa cuõng haáp thuï N-NH4 trong boàn nöôùc giaûm nhieàu, hoaëc nöôùc ngaàm baét nguoàn töø hoaït ñoäng phaân huyû chaát höõu cô do caùc loaïi vi sinh vaät trong ñieàu kieän yeám khí Haøm löôïng N-NH4 coù trong nöôùc töï nhieân laø döôùi 0,05ppm. Löôïng ammonium trong nöôùc thaûi töø caùc khu daân cö, caùc nhaø maùy hoaù chaát vaø caùc coâng ty cheá bieán thöïc phaåm laø khaù cao Theo quy ñònh veà nöôùc uoáng cuûa Vieät Nam, löôïng ammonium toái ña laø nhoû hôn 3ppm N-NH4 trong nöôùc töï nhieân töông ñoái khoâng oån ñònh. Döôùi taùc duïng cuûa caùc yeáu toá veà hoaù hoïc, vaät lyù vaø sinh hoaù, noù coù theå chuyeån hoaù hôïp chaát khaùc cuûa nitô. Khi coù ñuû oxy, döôùi taùc duïng cuûa 1 soá yeáu toá ñaëc bieät, N-NH4 coù theå bò oyx hoaù thaønh N-NO2: 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O Taùc duïng nitô hoaù khoâng döøng laïi ôû ñoù maø döôùi taùc duïng cuûa moät soá vi khuaån khaùc, N-NO2 laïi bò oxy hoaù thaønh N-NO3 2HNO2 + O2 = 2HNO3 Döôùi taùc duïng cuûa vi khuaån ñaëc bieät, N-NO3 laïi coù theå bò phaân giaûi vaø taùc duïng naøy goïi laø taùc duïng khöû nitô. Noù thöôøng tieán haønh döôùi ñieàu kieän thieáu oxy khi khoâng coù hôïp chaát chöùa nitô. Khi taùc duïng naøy xaûy ra thì N2 vaø CO2 ñöôïc taùch ra 4NO3- + 5C = 2CO32- + 2N2 + 3CO2 Nguoàn quan troïng khaùc laøm cho nöôùc möa phong phuù theâm N-NO3 vaãn laø khí NO2 sinh ra khi coù söï phoùng ñieän trong khoâng khí, khí NO2 seõ bò nöôùc möa haáp thuï vaø rôi xuoáng ñaát, coù theå bieåu thò baèng sô ñoà sau: Nitô trong khoâng khí Nitô trong thöïc vaät NO2- Nitô trong saûn phaåm phaân Giaûi töø caùc chaát höõu cô NO2 Nitô trong ñoäng vaät Nitô trong axit amino NH4+ N-NO2 laø moät trong nhöõng chaát trung gian cuûa chu trình Nitrogen cuøng vôùi caùc daïng höõu cô khaùc nhau nhö N-NH4, N-NO3 vaø moät löôïng nhoû N-NO2 cuõng bieåu thò söï oâ nhieãm höõu cô laãn voâ cô N-NO2 khoâng oån ñònh vì theá haøm löôïng cuûa noù trong nöôùc, treân maët ñaát thích nghi ñeå tieán haønh oxy hoaù laø raát nhoû (chæ ñoä vaøi phaàn traêm,thaäm chí chæ vaøi phaàn traêm nghìn ppm) Nhöng trong nöôùc ngaàm, ñaëc bieät laø trong taàng chöùa nöôùc beân treân thì haøm löôïng N-NO2 laïi taêng leân raát roõ reät Giôùi haïn cho pheùp cuûa TCVN-5942-1995, trong nöôùc maët. [15], [16] N-NO2 <= 0,03 mg/l (N-NO2 <= 0,01mg/l) Trong tieâu chuaån daønh cho nöôùc sinh hoaït laø nöôùc uoáng khoâng ñöôïc coù N-NO2 vì noù laø ñoäc toá NO3- laø ion thoaùi hoaù hoaøn toaøn trong chaát höõu cô coù goác nitô trong chu trình Nitrogen Do vieäc söû duïng nöôùc uoáng coù haøm löôïng N-NO3 cao coù khaû naêng gaây ñoäc haïi ñoái vôùi ngöôøi vì khi vaøo cô theå trong ñieàu kieän thích hôïp, ôû heä tieâu hoaù chuùng seõ chuyeån hoaù thaønh nitrit, keát hôïp vôùi hoàng caàu taïo thaønh hôïp chaát khoâng di chuyeån oxy gaây beänh thieáu maùu (Mathemoglobinemia). Ngoaøi ra, nitrit coøn keát hôïp vôùi amin thöù caáp taïo thaønh Nitrosamine gaây beänh ung thö III.1.2. Söï taùc ñoäng cuûa caùc vi sinh vaät vaø aûnh höôûng cuûa noù vôùi hôïp chaát nitô Söï tuaàn hoaøn cuûa nitô trong töï nhieân nhôø vi sinh vaät [7] Vi sinh vaät tham gia kheùp kín chu trình tuaàn hoaøn cuûa nguyeân toá nitô trong töï nhieân .Caùc vi sinh vaät amon hoaù seõ phaân huyû caùc hôïp chaát nitô höõu cô taïo ra N-NH4, CO2 vaø H2O. Hôïp chaát N-NH4 naøy laïi bò caùc vi sinh vaät nitrat hoaù bieán thaønh N2, nitô phaân töû laïi ñöôïc vi sinh vaät coá ñònh ñaïm taïo thaønh N-NH4. Caùc muoái nitô, N-NH4, N-NO3 do vi sinh vaät taïo ra seõ laø nguoán nitô cho thöïc vaät vaø vi sinh vaät söû duïng taïo thaønh caùc hôïp chaát nitô höõu cô, chu trình nitô ñöôïc kheùp kín Quaù trình amon hoaù: Baûn chaát cuûa quaù trình amon hoaù laø söï taïo thaønh NH3 töø caùc hôïp chaát nitô höõu cô (protein, ure, axit nucleic…) döôùi taùc ñoäng cuûa vi sinh vaät III.1.2.1. Quaù trình Amon hoaù Ure Baûn chaát: Ure laø thaønh phaàn chính trong nöôùc tieåu cuûa con ngöôøi vaø ñoäng vaät hay trong phaân ñaïm ure toång hôïp. Haøm löôïng nitô trong ure coù tôùi 47%. Tuy nhieân, thöïc vaät khoâng coù khaû naêng haáp thu tröïc tieáp loaïi nitô naøy neáu noù chöa ñöôïc vi sinh vaät phaân huyû thaønh daïng N-NH4 deã haáp thu (ngoaïi tröø caùc loaïi thöïc vaät hoï ñaäu coù khaû naêng töï toång hôïp nitô töï do) Quaù trình phaân giaûi xaûy ra nhö sau: CO(NH2)2 + 2H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 khoâng beàn vöõng deã daøng bò phaân huyû tieáp thaønh NH3 vaø CO2 (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O Vi sinh vaät phaân giaûi ure: Nhieàu vi sinh vaät trong ñaát coù khaû naêng phaân huyû ure, trong ñoù coù Bacillus, Micrococus ureac , Planosaruna ureac, Achromobacter, moät soá naám moác vaø xaï khuaån. Quaù trình phaân huyû ure xaûy ra trong ñieàu kieän hieáu khí, nhöng cuõng coù theå xaûy ra trong moâi tröôøng kò khí III.1.2.2. Caùc tính chaát cô baûn III.1.2.2.1 Tính chaát cô baûn cuûa ammonium[2], [12] Söï töông taùc cuûa phaân töû NH3 vôùi nöôùc khoâng nhöõng taïo thaønh nhöõng hydrat cuûa ammonium maø coøn taïo thaønh NH4+ NH3 + H2O = NH4+ + OH- Keát quaû laø noàng ñoä cuûa ion OH- trong dung dòch taêng leân. Chính vì vaäy maø dung dòch nöôùc cuûa amoni coù phaûn öùng kieàm. Tuy nhieân, theo quy ñònh thì dung dòch nöôùc cuûa ammonium thöôøng ñöôïc bieåu dieãn baèng coâng thöùc NH4OH Ña soá caùc muoái ammonium khoâng maøu vaø deã tan trong nöôùc. Vì dung dòch nöôùc ammonium laø baze yeáu neân muoái ammonium bò thuyû phaân trong dung dòch. Dung dòch cuûa muoái taïo bôûi ammonium vaø axit maïnh coù phaûn öùng axit yeáu Söï thuyû phaân ammonium ñöôïc vieát döôùi daïng: NH4+OH + H+ = NH3 + H2O Tuy nhieân ñuùng hôn phaûi xem noù nhö laø söï chuyeån proton ngöôïc laïi töø NH4+ ñeán phaân töû H2O: NH4+ + H2O = NH3 + H3O+ Khi theâm kieàm vaøo dung dòch nöôùc cuûa moät ammonium naøo ñoù thì H3O+ seõ lieân keát vôùi OH- thaønh phaân töû H2O vaø caân baèng thuyû phaân bò dòch chuyeån sang beân phaûi. Khi ñoù quaù trình xaûy ra : 2NH4+ + OH- = 2NH3 + H3O+ Khi ñun noùng dung dòch thì ta thaáy coù muøi cuûa NH3 thoaùt ra Nhö vaäy coù theå phaùt hieän ñöôïc muoái ammonium baát kì trong dung dòch khi ñun noùng dung dòch vôùi kieàm maïnh III.1.2.2.2. Tính chaát cô baûn cuûa Nitrit [2],[6] Ion NO2- laø muoái cuûa axit keùm beàn HNO2 Axit HNO2 laø moät trong soá caùc axit yeáu vaø chæ toàn taïi trong dung dòch nöôùc axit loaõng. Khi laøm ñaäm ñaëc dung dòch hoaëc khi ñun noùng thì noù seõ bò phaân huyû 2HNO2 = NO2 + H2O Cho neân NO2- deã bò phaân huyû trong dung dòch coù moâi tröôøng axit. Ñoù cuõng laø ñieàu caàn löu yù khi xaùc ñònh haøm löôïng N-NO2 .Caàn thaän troïng khi axit hoaù dung dòch vì khi ñoù seõ laøm giaûm bôùt haøm löôïng N-NO2 daãn ñeán keát quaû phaân tích keùm chính xaùc Trong moâi tröôøng axit, N-NO2 coøn theå hieän tính oxy hoaù qua ñieän theá oxy hoaù khöû sau: NO2- + 2H+ + e = NO + H2O ; E0 = 0,99V Do tính chaát oxy hoaù, N-NO2 phaûn öùng vôùi moät soá thuoác thöû höõu cô nhö diphenylamin, antypyrin, ..ñeàu gaây neân nhieàu phöùc taïp trong quaù trình phaân tích Tuy nhieân, nitrit ngoaøi tính oxy hoaù coøn theå hieän tính khö û(möùc oxy hoaù cuûa nitô trong HNO2 baèng +3 nghóa laø trung gian giaù trò thaáp nhaát vaø cao nhaát) Ví duï vôùi phaûn öùng sau: 5HNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5HNO3 + 2MnO4 + K2SO4 + 3H2O Ñaëc bieät laø phaûn öùng taïo maøu azzo cuûa nitrit (maøu hoàng) III.1.2.3. Ñoä pH Ñoä pH laø moät trong nhöõng chæ tieâu caàn kieåm tra ñoái vôùi nöôùc thaûi. Giaù trò pH cho pheùp ta quyeát ñònh xöû lyù theo phöông phaùp naøo laø thích hôïp hoaëc ñieàu chænh löôïng hoaù chaát thích hôïp trong quaù trình xöû lyù nöôùc. Söï thay ñoåi giaù trò pH trong nöôùc coù theå daãn ñeán söï thay ñoåi veà thaønh phaàn caùc chaát coù trong nöôùc töø ñoù thuùc ñaåy hay ngaên chaën nhöõng phaûn öùng hoaù hoïc, sinh hoïc xaûy ra trong nöôùc do quaù trình hoaø tan hay keát tuûa III.1.2.4. Löôïng oxy hoaø tan - DO Giaù trò DO duøng ñeå chæ löôïng oxy hoaø tan trong nöôùc ôû nhieät ñoä xaùc ñònh. Oxy laø chaát quan troïng cho hoaït ñoäng soáng cuûa caùc cô theå sinh vaät. Trong nöôùc ngoaøi nhieäm vuï cung caáp oxy cho caùc vi sinh vaät vaø phaân giaûi caùc hôïp chaát höõu cô, oxy coøn oxy hoaù moät soá caùc chaát oxy hoaù ñöôïc. Ñaây laø chæ tieâu quan troïng cuûa nöôùc, noù cho pheùp ñaùnh giaù chaát löôïng nöôùc. Chæ soá DO toái öu laø: 4 - 6 mg O2/l. Haøm löôïng oxy naøy baûo ñaûm cho söï soáng cuûa caùc loaøi thuyû sinh vaät, caùc chæ soá thaáp hôn cho thaáy nöôùc bò oâ nhieãm III.1.2.5. Nhu caàu oxy hoaù hoïc (Chemical Oxygen Demand-COD) COD laø nhu caàu oxy caàn thieát cung caáp cho vi sinh vaät phaân huyû caùc chaát höõu cô theo con ñöôøng hoaù hoïc. Xaùc ñònh COD laø coâng vieäc giaùn tieáp xaùc ñònh toång haøm löôïng chaát höõu cô coù trong nöôùc. Trong nöôùc chöùa moät löôïng hôïp chaát höõu cô vì vaäy COD caøng cao thì chöùng toû nöôùc caøng baån III.1.2.6. Haøm löôïng chaát raén Chaát raén coù trong nöôùc töï nhieân coù theå laø töø nhöõng nguoàn khaùc nhau nhö saûn xuaát coâng-noâng nghieäp, sinh hoaït vaø cuõng chính töø nhöõng nguoàn coù trong töï nhieân Caùc chaát voâ cô daïng hoaø tan (caùc loaïi muoái) hoaëc caùc chaát khoâng tan nhö ñaát, ñaù, caùc loaïi chaát ôû daïnh huyeàn phuø… Caùc chaát höõu cô nhö caùc loaïi vi sinh vaät, taûo, vi khuaån, ñoäng-thöïc vaät nguyeân sinh…vaø caùc chaát höõu cô toång hôïp nhö phaân boùn, chaát thaûi töø saûn xuaát, sinh hoaït Caùc chaát raén laøm aûnh höôûng ñeán chaát löôïng cuûa nöôùc, laøm caûn trôû hoaëc tieâu toán theâm nhieàu hoaù chaát trong quaù trình xöû lyù Coù theå söû duïng moät soá caùc chæ tieâu sau ñeå ñaùnh giaù haøm löôïng chaát raén coù trong nöôùc Toång löôïng chaát raén(Total Solids-TS) Toång löôïng chaát raén laø troïng löôïng khoâ tính baèng mg cuûa phaàn coøn laïi sau khi laøm bay hôi moät lít nöôùc treân noài ñun caùch thuyû roài saáy ôû 1030C cho tôùi khoái löôïng khoâng ñoåi. Ñôn vò tính laø (mg/l) Toång löôïng chaát raén lô löûng(Suspended Solids-SS) Toång löôïng chaát raén lô löûng (toång löôïng chaát raén huyeàn phuø) coù haøm löôïng laø troïng löôïng khoâ cuûa phaàn chaát raén coøn laïi treân giaáy loïc baèng sôïi thuyû tinh, khi loïc moät lít maãu roài ñem saáy ôû nhieät ñoä 1050C cho ñeán khoái löôïng khoâng ñoåi (mg/l) Chaát raén hoaø tan(Disolved Solids-DS) DS ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc: DS=TS-SS (mg/l) Chaát raén bay hôi(Volative Suspended Solids-VSS) Haøm löôïng chaát raén bay hôi laø troïng löôïng maát ñi khi nung chaát raén lô löûng ôû 5500C trong moät khoaûng thôøi gian nhaát ñònh. Khoaûng thôøi gian naøy phuï thuoäc vaøo töøng loaïi nöôùc maãu (mg/l hay %SS hoaëc %TS) Haøm löôïng VSS trong nöôùc thaûi thöôøng bieåu thò cho haøm löôïng caùc chaát höõu cô loïc ñöôïc coù trong nöôùc III.2. Phöông phaùp nghieân cöùu III.2.1. Moâ hình thí nghieäm Moâ hình thí nghieäm ñöôïc thöïc hieän theo moâ hình pilot ôû nhieàu giai ñoaïn, ñieàu kieän khaùc nhau. Nöôùc thaûi ñöôïc laáy töø Xí nghieäp heo gioáng Ñoâng AÙ, Huyeän Dó An, Tænh Bình Döông. Giai ñoaïn 1: Nöôùc thaûi (Q=200 l/ngaøy.ñeâm) ñaàu tieân ñi vaøo hai coät hieáu khí (1) vôùi dung tích 80 lít, taïi ñaây xaåy ra quaù trình Nitrate hoaù, ammonium ñöôïc oxy hoaù sinh ra NO2-, NO3. Sau ñoù nöôùc thaûi laïi tieáp tuïc ñi qua coät kî khí (2) vôùi dung tích 220 lít taïi ñaây xaåy ra quaù trình anammox, löôïng ammonium coøn laïi cuûa quaù trình nitrate hoaù keát hôïp vôùi nitrite môùi sinh ra ñeå sinh ra khí nitô, moät loaïi khí ñöôïc coi nhö laø voâ haïi vôùi moâi tröôøng. Sau cuøng nöôùc thaûi ñi qua coät laéng (3) vaø ñöôïc thaûi ra ngoaøi. Giai ñoaïn 2: Ôû giai ñoaïn naøy, nöôùc thaûi (Q=300 l/ngaøy.ñeâm; DO=5 l/s) ñöôïc ñi qua lôùp giaù theå (toân xi maêng) ñöôïc xeáp choàng lôùp beân trong caùc coät. Giaù theå seõ laøm taêng khaû naêng baùm dính cuûa vi sinh vaät. Nöôùc thaûi ñöôïc ñi vaøo hai coät hieáu khí (1) vôùi dung tích 80 lít, taïi ñaây xaåy ra quaù trình Nitrate hoaù, ammonium ñöôïc oxy hoaù sinh ra NO2-, NO3. Sau ñoù nöôùc thaûi laïi tieáp tuïc ñi qua coät kî khí (2) vôùi dung tích 220 lít taïi ñaây xaåy ra quaù trình anammox, löôïng ammonium coøn laïi cuûa quaù trình nitrate hoaù keát hôïp vôùi nitrite môùi sinh ra ñeå sinh ra khí nitô, moät loaïi khí ñöôïc coi nhö laø voâ haïi vôùi moâi tröôøng. Sau cuøng nöôùc thaûi ñi qua coät laéng (3) vaø ñöôïc thaûi ra ngoaøi. Giai ñoaïn 3: Ôû giai ñoaïn naøy, nöôùc thaûi (Q=400 l/ngaøy.ñeâm; DO=10 l/s) ñöôïc ñi qua lôùp giaù theå (toân xi maêng) ñöôïc xeáp choàng lôùp beân trong caùc coät. Giaù theå seõ laøm taêng khaû naêng baùm dính cuûa vi sinh vaät. Nöôùc thaûi ban ñaàu ñöôïc ñi vaøo hai coät hieáu khí (1) vôùi dung tích 80 lít, taïi ñaây xaåy ra quaù trình nitrate hoaù, ammonium ñöôïc oxy hoaù sinh ra NO2-, NO3. Sau ñoù nöôùc thaûi laïi tieáp tuïc ñi qua coät kî khí (2) vôùi dung tích 220 lít taïi ñaây xaåy ra quaù trình anammox, löôïng ammonium coøn laïi cuûa quaù trình nitrate hoaù keát hôïp vôùi nitrite môùi sinh ra ñeå sinh ra khí nitô, moät loaïi khí ñöôïc coi nhö laø voâ haïi vôùi moâi tröôøng. Sau cuøng nöôùc thaûi ñi qua coät laéng (3) vaø ñöôïc thaûi ra ngoaøi. Hình 10: Moâ hình thí nghieäm xöû lyù ammonium trong nöôùc thaûi chaên nuoâi heo. III.2.2. Phöông phaùp phaân tích [17] Baûng 7: Caùc phöông phaùp phaân tích STT Chæ tieâu Phöông phaùp phaân tích 1 pH Duøng maùy ño Model 2000 VWR Scientisic 2 SS Duøng giaáy loïc saáy khoâ loïc maãu vaø ñem saáy ôû 105oC ñeå xaùc ñònh haøm löôïng caën lô löûng trong maãu. 3 DO Duøng maùy ño Model 2000 WQC– 22A Scientisic 4 COD Phöông phaùp Kali permangannat ñeå oxy hoaù hoaøn toaøn caùc chaát höõu cô sau ñoù chuaån ñoä laïi baèng dung dòch muoái Fe2+ vôùi chæ thò Feroin ñeán khí xuaát hieän maøu ñoû, töø ñoù tính ñöôïc haøm löôïng COD 5 N-NH4+ Phöông phaùp soi maøu vôùi thuoác thöû Nessler ñeå xaùc ñònh haøm löôïng Ammonium coù trong maãu taïo phöùc chaát maàu vaøng coù ñoä haáp thuï cöïc ñaïi taïi böôùc soùng (=430 nm ) 6 N-NO-2 Phöông phaùp soi maàu, ôû pH töø 2 – 2.5 , nitrite seõ taïo söï keát hôïp vôùi acid sunfanilic diazo (Gris A) vaø - naptylamin (Gris B) cho maàu hoàng ñoû, ñem ño ôû böôùc soùng 520 nm ñeå xaùc ñònh haøm löôïng nitrite 7 N-NO-3 Phöông phaùp soi maàu, acid nitrite giaûi phoùng töø muoái nitrate taùc duïng vôùi acid nitrofenoldisunfonic cho phöùc vaøng, ñem soi maàu ôû böôùc soùng 430 nm ñeå xaùc ñònh haøm löôïng nitrate. 8 P-PO4 Phöông phaùp soi maàu, Phot phat ñöôïc xaùc ñònh baèng hoãn hôïp hoùa chaát bao goàm :H2SO4, (NH4)2M00, axít ascorbic, antimony potassium tartarte. Phöùc chaát phosphormolipdate taïo thaønh maøu vaøng ñöôïc khöû thaønh phöùc chaát maøu xanh do axít ascorbic. Ñem soi maàu ôû böôùc soùng 650 nm. 9 Fe Phöông phaùp soi maàu, saét ñöôïc ñöa vaøo dung dòch, bò khöû tôùi Fe2 baèng caùch ñun soâi vôùi axít vaø hydroxylamine ôû pH 3.2-3.3, sau ñoù ñöôïc xöû lyù vôùi 1.10 – phenaltroline. Ba phaân töû cuûa phenaltroline lieân keát vôùi moãi nguyeân töû Fe2 ñeå taïo phöùc chaát maàu ñoû da cam. Ñem soi maàu ôû böôùc soùng 510 nm. III.2.2.1. Xaùc Ñònh pH - (Maùy ño pH model 2000 VWR Scientific -USA) Ñoä pH laø moät trong nhöõng chæ tieâu caàn kieåm tra ñoái vôùi nöôùc thaûi. Giaù trò pH cho pheùp ta quyeát ñònh xöû lyù theo phöông phaùp naøo laø thích hôïp hoaëc ñieàu chænh löôïng hoaù chaát thích hôïp trong quaù trình xöû lyù nöôùc. Söï thay ñoåi giaù trò pH trong nöôùc coù theå daãn ñeán söï thay ñoåi veà thaønh phaàn caùc chaát coù trong nöôùc töø ñoù thuùc ñaåy hay ngaên chaën nhöõng phaûn öùng hoaù hoïc, sinh hoïc xaûy ra trong nöôùc do quaù trình hoaø tan hay keát tuûa III.2.2.2. Xaùc Ñònh DO - Löôïng Oxy Hoøa Tan (Disolved Oxygen - DO) - ( Maùy ño caùc chæ tieâu nöôùc WQC – 22A (Japan) Giaù trò DO duøng ñeå chæ löôïng oxy hoaø tan trong nöôùc ôû nhieät ñoä xaùc ñònh. Oxy laø chaát quan troïng cho hoaït ñoäng soáng cuûa caùc cô theå sinh vaät. Trong nöôùc ngoaøi nhieäm vuï cung caáp oxy cho caùc vi sinh vaät vaø phaân giaûi caùc hôïp chaát höõu cô, oxy coøn oxy hoaù moät soá caùc chaát oxy hoaù ñöôïc. Ñaây laø chæ tieâu quan troïng cuûa nöôùc, noù cho pheùp ñaùnh giaù chaát löôïng nöôùc. Chæ soá DO toái öu laø: 4-6 mg O2/l. Haøm löôïng oxy naøy baûo ñaûm cho söï soáng cuûa caùc loaøi thuyû sinh vaät, caùc chæ soá thaáp hôn cho thaáy nöôùc bò oâ nhieãm. III.2.2.3. Xaùc Ñònh Löôïng Chaát Raén Lô Löûng - SS Sau khi giaáy loïc ñöôïc ñem ñi saáy ôû 1050C trong 2 giôø vaø ñöôïc huùt aåm