Đề tài Tổng quan về quá trình chuyển hóa hợp chất của nitơ

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay vấn đề ơ nhiễm mơi trường đang ngày gia tăng và đang được sự quan tâm của nhiều nghành, nhất là đối với việc ơ nhiễm do nước thải. Đối với nhiều nước thải cĩ hàm lượng các chất dinh dưỡng (N,P) trung bình và cao, việc xử lý loại ra các thành phần này trước khi xả là một nhu cầu quan trọng, nhằm hạn chế sự ơ nhiễm nước ngầm, nước mặt. Một trong các dạng hợp chất gây nên sự ơ nhiễm của nước phải nĩi đến các hợp chất hữu cơ chứa itơ. Nếu như hàm lượng Nitơ cĩ trong nước xả thải ra sơng, hồ quá mức sẽ gây ra một hiện tượng ơ nhiễm, điển hình là hiện tượng phú dưỡng hĩa kích thích sự phát triển nhanh của rong, rêu, tảp làm bẩn nguồn nước. Việc áp dụng các phương pháp sinh học để xử lý nước thải hiện nay đang là vấn đề cần được chú ý và phát triển, đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tạo ra sản phẩm cĩ lợi như carbonic, nước và các chất vơ cơ khác. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ Nitơ là một nguyên tố hĩa học trong bảng tuần hồn các nguyên tố cĩ ký hiệu N và số nguyên tử bằng 7. Ở điều kiện bình thường nĩ là một chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ, cịn gọi là đạm khí. Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống. Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các axit amin, axit nucleic, ammoniac, axit nitrite, cyanua… Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nĩ bị chuyển hĩa rất chậm thành các hợp chất cĩ ích về mặt sinh học và cơng nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn. Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của cơng nghiệp hĩa chất hiện đại, trong đĩ nitơ được chuyển hĩa thành amomniac. Ammoniac cĩ thể được sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân bĩn, hay làm nguyên liệu cho nhiều hĩa chất quan trọng khác. Các muối của acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như hay diêm tiêu, thuốc súng và nitrate amoni. Các hợp chất nitrate hữu cơ khác, như TNT. Acid nitrite được sử dụng làm chất oxi hĩa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng. Ammoniac là một hợp chất quan trọng giữa N và H. Ammoniac cĩ tính bazơ, trong dung dịch thì nĩ tạo ra các cation amoni (NH4+). Các khác cĩ cấu trúc tương tự là dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) và nitơ dioxit (NO2). Các oxit tiêu chuẩn hơn là dinitơ trioxit (N2O3) và dinitơ pentoxit (N2O5), trên thực tế là tương đối khơng ổn định và là các chất nổ. Các axit tương ứng là acid nitrơ (HNO2) và acid nitrite (HNO3), với các muối tương ứng được gọi là nitrite và nitrate. Acid nitrite là một trong ít các axit mạnh hơn hydroni. Bảng 1.1 Trạng thái hĩa trị của hợp chất nitơ trong hợp chất hĩa học. Hợp chất Hĩa trị Cơng thức hĩa học Amoni/ ammoniac -3 NH4+/ NH3 Khí Nitơ 0 N2 Dinitơ oxit +1 N2O Nitơ oxit +2 NO Nitrite +3 NO2- Dinitơ trioxit + 3 N2O3 Nitơ dioxit +4 NO2 Nitrate +5 NO3- Dinitơ pentoxit +5 N2O5 1.2 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.2.1 Chu trình sinh địa hĩa nitơ Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hĩa học tham gia và chuyển hĩa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là chuyển hĩa giữa các dạng hợp chất vơ cơ và hữu cơ chứa nitơ. Vi khuẩn cố định trong đất Vi khuẩn cố định N trong rể cây Nhiên liệu hóa thạch Nitơ khí quyển Núi lửa Năng lượng tỏa ra từ công nghiệp Xác động thực vật urê Phân bón Tia sét mưa Đồng hóa Amon hóa Phân hủy (vi khuẩn, nấm) Khử nitrat Họat động con người Họat động tự nhiên Hình 1.1 Chu trình sinh địa hĩa nitơ Hợp chất nitơ vơ cơ đơn giản và đầu tiên hết là nitơ tự do trong khơng khí. Nitơ vơ cơ này chuyển hĩa thành nitơ hữu cơ nhờ quá trình cố định nitơ của vi sinh vật, thực vật. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, acid amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tồn tại trong đất. Dưới tác dụng của nhĩm vi sinh vật hoại sinh thực hiện quá trình amon hĩa phân giải thành các acid amin. Các acid amin này lại được một nhĩm vi sinh vật phân giải thành ammoniac. Ammoniac tiếp tục được chuyển hĩa thành các hợp chất của nitrite, nitrate nhờ nhĩm vi sinh vật nitrate hĩa. Dạng nitrate được chuyển hĩa thành nitơ phân tử nhờ quá trình phản nitrate hĩa trả lại nitơ tự do cho khí quyển. Như vậy, vịng tuần hồn nitơ được khép kín. Trong hầu hết các giai đoạn chuyển hĩa của vịng tuần hồn đều cĩ sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của nhĩm nào đĩ ngừng lại, tồn bộ sự chuyển hĩa của vịng tuần hồn sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng. Hợp chất nitơ (protein, urea…) Vi sinh vật thủy phân Tế bào thực vật Ammoniac Tạo sinh khối Tế bào nitơ hữu cơ Phân hủy nội bào NO2- Khử nitrat Khí Nitơ NO-3 Chất hữu cơ Carbon Hình 1.2 Chu trình nitơ Quá trình amon hĩa Quá trình amon hĩa là quá trình oxy hĩa các hợp chất nitơ hữu cơ như acid amin, protein, ure … thành nitơ vơ cơ, CO2 và nước. Quá trình amon hĩa bao gồm 2 quá trình. 1.2.2.1 Amon hĩa ure Ure cĩ trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22% nước tiểu. Trong cơng thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nitơ, vì thế nĩ là nguồn dinh dưỡng đạm tốt với cây trồng. Quá trình amon hĩa chia làm hai giai đoạn. Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonat amoni. Sau đĩ, carbonat amoni được chuyển hĩa thành NH3, CO2 và H2O bằng một phản ứng hĩa học thơng thường. CO(NH2)2 + 2H2O à (NH4) 2 CO3 (giai đọan 1) (NH4) 2 CO3 à 2NH3 + CO2 + H2O (giai đoạn 2) Một số lồi vi sinh vật tiết enzyme urease cĩ hoạt tính phân giải cao như Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae.... Đa số chúng thuộc nhĩm hiếu khí hoặc kỵ khí khơng bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm. Bởi vậy khi sử dụng ure làm phân bĩn người ta kết hợp với bĩn vơi, đồng thời xới xáo làm thống đất. 1.2.2.2 Amon hĩa protein Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật. Khi sinh vật chết đi, protein được tích lũy trong đất. Protein chứa 15 – 17% nitơ nhưng cây trồng khơng thể hấp thụ trực tiếp protein mà phải thơng qua quá trình amon hĩa. Quá trình này cĩ thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhĩm vi sinh vật phân hủy protein cĩ khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase. Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acid amin.. Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giải thành các polypeptide và oligopeptide. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đĩ được phân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào. Một phần các axit amin được tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các acid amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác. Với các protein cĩ chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhĩm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhĩm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H2S, scatol, indol hay mercaptan .Hấp thụ vào tế bào Protein Oligopeptide,polypeptide Acid amin Khử acid amin Protease peptitdase NH3, NH4+ Trong điều kiện hiếu khí, các acid amin bị vơ cơ hĩa tạo sản phẩm là ammoniac, carbonic và nước. Trong điều kiện kỵ khí lại diễn ra quá trình khử amin tạo nhiều loại hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khĩ chịu như indol và scatol. Khử amin cĩ thể xảy ra theo một trong những phương thức sau: R – CH(NH2)COOH à R – CHCOOH + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O à R – CH2OH – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH + ½ O2 à R – CO – COOH + NH3 R – CH(NH2)COOH + O2 à R – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O à R – CO – COOH +NH3 + 2H Các nhĩm vi sinh vật hiếu khí cĩ khả năng phân hủy protein: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S. griseus Vi nấm: Aspergillus oryzae, A. flavour, A. niger, Penicilium camemberti… Vi sinh vật yếm khí : Vi khuẩn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện : Vi khuẩn Proteus vulgaris, Bacillus coli… 1.2.3 Quá trình Nitrate hĩa Sau quá trình amon hĩa, NH3 được hình thành một phần được thực vật hấp thụ, một phần kết hợp với các hợp chất trong đất tạo thành các muối amon với ion NH4+. Một phần muối amon cũng được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ, một phần được oxy hĩa thành nitrate. Quá trình nitrate hĩa bao gồm 2 giai đoạn: nitrite hĩa và nitrate hĩa 1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hĩa Là quá trình oxy hĩa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrate hĩa thuộc nhĩm tự dưỡng hĩa năng, cĩ khả năng oxy hĩa NH4+ bằng oxy khơng khí và tạo ra năng lượng. NH4+ + 3/2 O2 à NO2- + H2O + 2H + Năng lượng Năng lượng dùng để đồng hĩa CO2 tạo ra carbon hữu cơ. Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hơ hấp hiếu khí. Nhĩm vi sinh vật nitrite hĩa bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira 1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hĩa. NO2- tạo thành tiếp tục được oxy hĩa thành NO3- bởi nhĩm vi khuẩn nitrate. Đây cũng là các vi khuẫn tự dưỡng hĩa năng, thực hiện phản ứng oxi hĩa nitrite để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hĩa Năng lượng CO2. NO2- + ½ O2 à NO3- + Nhĩm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Ngồi nhĩm vi khuẩn tự dưỡng hĩa năng nĩi trên, trong đất cịn cĩ một số lồi vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hĩa. Đĩ là lồi vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces... 1.2.4 Quá trình phản nitrate Các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử thành nitơ phân tử. Quá trình này gọi là quá trình phản nitrate hĩa được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhờ các vi sinh vật phản nitrate hĩa. Khi đĩ, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi hơ hấp kỵ khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào. Nhĩm vi khuẩn thực hiện quá trình phản nitrate hĩa phân bố rộng rãi trong đất. Thuộc nhĩm tự dưỡng hĩa năng cĩ Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas agilis ...thuộc nhĩm dị dưỡng cĩ Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis... Trong các mơi trường tự nhiên ngồi quá trình phản nitrate sinh học nĩi trên cịn cĩ quá trình phản nitrate hĩa học khơng cĩ sự tham gia của vi sinh vật thường xảy ra ở pH < 5.5. 1.2.5 Quá trình cố định Nitơ Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử nitơ thành NH3 dưới tác dụng enzyme của enzyme nitrogenase của vi sinh vật. Đây là quá trình quan trọng nhất để chuyển hĩa nitơ vơ cơ thành nitơ hữu cơ. Cĩ 3 nhĩm vi sinh vật cĩ khả năng cố định nitơ: Nhĩm cộng sinh với cây họ đậu, nhĩm sống tự do trong đất và nhĩm tảo. Trong đĩ, gĩp phần quan trọng nhất là nhĩm Rhizobium sống cộng sinh với cây họ đậu. Cơ chế của quá trình cố định nitơ cần enzyme nitrogenase của vi sinh vật, leghemoglobin của thực vật và năng lượng tế bào. Nitrogenase N2 + 6e + 12ATP + 12H2O à 2NH4+ + 12ATP + 12P + 4H+ Nitrogenase bao gồm 2 thành phần khác nhau, một phần gồm protein và Fe, một phần gồm protein, Fe, Mo. Electron của chất khử sẽ đi vào thàh phần thứ nhất của nitrogenase (phần chứa protein và Fe) sau đĩ được chuyển sang thành phần thứ hai, qua đĩ electronic được hoạt hĩa cĩ thể phản ứng với nitơ . Nitơ cũng đi qua hai thành phần của nitrogenase và được hoạt hĩa. Hydro được hoạt hĩa nhờ các enzyme của hệ thống hydrogenase. Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào. Cuối cùng NH3 được hình thành. NH3 được hình thành đến một mức độ nào đĩ sẽ kiềm hãm sự họat động của Nitrogenase, nĩ chính là yếu tố điều hịa hoạt tính của enzyme. Như vậy, cĩ thể tĩm tắt quá trình chuyển hĩa các hợp chất nitơ trong tự nhiên như sau: Vi khuẩn nitrate hĩa nitrobacter nitrosomonas Phân hủy Protein NH3 NO2- NO3- Vi khuẩn phản nitrate hĩa NO3- NO3- NO N2O N2 Quá trình quang hợp của cây Leghemoglobin Nitrogenaza N2 NH3 ATP e e Bảng 1.2 Tĩm tắt các quá trình chuyển hĩa nitơ trong tự nhiên Quá trình Cơ chất Sản phẩm Vi sinh vật tham gia Amon hĩa Hợp chất nitơ hữu cơ Nitơ vơ cơ, CO2 và nước Bacillus mycoides, B. mesentericus, B.subtilis,Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum ... Nitrate hĩa NH3 NO3- Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira, Nitrobacter, Nitrospira,... Phản nitrate hĩa NO3- N2 Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans... Cố định N Nitơ NH3 Rhizobium.. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI 2.1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC Trong mơi trường nước, nitơ cĩ thể tồn tại dưới dạng hợp chất vơ cơ, hữu cơ hịa tan hay khơng hịa tan. Các hợp chất vơ cơ quan trọng của nitơ là NH3, NH4+, NO2-, NO3-. Nitơ dạng khí cĩ được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngồi khơng khí vào hay cịn cĩ thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hĩa. Các dạng hợp chất vơ cơ hịa tan cĩ được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng hợp chất Albumine dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ biến thành dạng đạm ammoniac (NH3) và ammoniac sẽ hịa tan vào nước hình thành NH4+. Sau đĩ, NH3 và ion NH4+ sẽ biến thành dạng đạm nitrite(NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hĩa. Thực vật cĩ thể hấp thu nhiều dạng đạm nĩi trên nhưng hấp thu NH4+ và NO3- là tốt nhất, mỗi lồi thực vật ưa một dạng đạm khác nhau. Một số lồi vi khuẩn và tảo lại cĩ khả năng sử dụng nitơ phân tử nhờ quá trình cố định nitơ. Hầu hết đạm NO3- được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đĩ bị lắng tụ ở bùn đáy. Đạm chứa trong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác. Hai quá trình yếm khí là cố định nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đĩ, quá trình phản nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sơng hay đất ngập nước. Các chất đạm hữu cơ trong mơi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật, động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hịa tan. Sơng, suối, nước mưa, nước thải cĩ chứa Nitrate và Ammoniac Cố định đạm N2 N2O NO2 Vi khuẩn + Sinh trưởng Thực vật phù du NO3 Sinh trưởng Nitrate hĩa Động vật phù du NO2 Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy Hình 2.1 Chu trình nitơ trong nước Quá trình amon hĩa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong mơi trường nước diễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí. Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hĩa hồn tồn thành các hợp chất vơ cơ, giúp làm sạch mơi trường nước. Trong điều kiện kỵ khí, các acid amin khơng được vơ cơ hĩa hồn tồn, bên cạnh NH3 và CO2 cịn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khĩ chịu cho thủy vực. Quá trình amon hĩa protein giữ vai trị quan trọng trong việc khép kín vịng tuần hồn Nitơ nhờ quá trình này mà Nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon dễ dàng được thực vật sử dụng. Nhờ quá trình này mà NH3 luơn luơn được phục hồi, cung cấp cho thực vật thủy sinh. Cĩ nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào quá trình này, chủ yếu là các lồi Bacillus như: B. mesentericus, B.mycoide, B. sustilis,…Số lượng của chúng trong thủy vực khác nhau thì rất khác nhau, thường trong các thủy vật nước ngọt số lượng của chúng nhiều thủy vực nước măn và nước lợ. Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hĩa trong mơi trường nước đi cùng quá trình đồng hĩa CO2 cho cơ thể. Ở thủy vực nước ngọt cĩ các lồi thuộc giống Nitrobacter và trong các thủy vực nước lợ, mặn cĩ Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hĩa phân bố rất ít trong các thủy vực sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các thủy vực giàu dinh dưỡng số lượng của chúng cĩ nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khỏang 10 tế bào/ml nước. Số lượng của chúng trong thủy vực dao động theo mùa. Quá trình nitrate hĩa chỉ xảy ra khi cĩ mặt của oxy (kể cả nồng độ thấp), nghĩa là trong mơi trường thĩang khí, cịn trong mơi trường yếm khí với sự cĩ mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hĩa đĩ là quá trình phản nitrate hĩa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O), NH2OH, NH3 và N2. Vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hĩa bao gồm bao gồm các loại kỵ khí khơng bắt buộc như: Pseudomonas, Bacillus...Trong điều kiện hiếu khí, chúng oxy hĩa các chất hữu cơ bằng oxy của khơng khí, cịn trong điều kiện kỵ khí, chúng tiến hành oxy hĩa các hợp chất hữu cơ bằng con đường khử hydro để chuyển hydro cho nitrate và nitrite. Quá trình này khơng cĩ lợi ví nĩ làm mất Nitơ trong thủy vật và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Trong đa số sinh cảnh, vi sinh vật cĩ thể khử nitrate thành nitrite, chứ khơng cĩ thể khử tiếp thành các dạng hợp chất khác. Do đĩ, ở đâu cĩ quá trình phản nitrate hĩa xảy ra mạnh thì ở đĩ cĩ nhiều nitrite. Trong mơi trường thống khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện bởi các lồi vi khuẩn Azotobacter như A. Agile và A.chroococcum. Ở sơng, hồ thì hầu như gặp chúng ở mọi nơi. Tại phần lắng đọng yếm khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện bởi các lồi Clostridium như Clostridium pateurianum. Gần đây, người ta đã xác định ngồi các lồi Azotobacter và Clostridium thì cịn cĩ các lồi vi khuẩn khác cũng cĩ khả năng đồng hĩa nitơ phân tử bao gồm cả vi khuẩn quang tự dưỡng lẫn dị dưỡng. Tuy nhiên, ở chúng thì sự gắn kết Nitơ cĩ hiệu quả thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hĩa một lượng nitơ đánh kể, chúng chỉ cĩ vai trị ở những phần lắng đọng yếm khí, cịn trong mơi trường thống khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện chủ yếu bởi các lồi tảo xanh thuộc giống Nostoc, Phormidium, Calothrix,... bởi vì các giống tảo này thường rất nhiều trong các thủy vực. 2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ 2.2.1 Nước thải sinh hoạt Nguồn nước thải sinh họat gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt cá, nước từ nhà hàng, khách sạn….chiếm 52% chất hữu cơ, 48% các chất vơ cơ. Chúng được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất ammoniac, protein, peptid, acid amin cũng các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Ngồi ra nước thải sinh hoạt cĩ chứa một lượng các thành phần dinh dưỡng khác rất cao. Nhiều trường hợp, lượng chất dinh dưỡng này quá cao vượt quá nhu cầu phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học. Trong các cơng trình xử lý nước thải theo phương pháp sinh học, lượng dinh dưỡng cần thiết trung bình tính theo tỷ lệ BOD5 : N: P là 100: 5: 1. Bảng 2.1 Tải lượng ơ nhiễm từ nước thải sinh hoạt. Chỉ tiêu ơ nhiễm Hệ số tải lượng (g/người.ngày) Tải lượng ơ nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lủng 70 - 145 89 – 184,5 Amoni (N – NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 - 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng 6 - 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 - 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO Nước thải sinh hoạt chứa hàm lương các chất cặn bã, các chất rắn lơ lửng (SS), các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng (N,P). Nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải sinh họat như sau: Bảng 2.2 Nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ơ nhiễm Nồng độ ơ nhiễm (mg/m3) Chất rắn lơ lửng 730 – 1510 Amoni (N – NH4) 25 – 1510 BOD5 469 – 563 Nitơ tổng 63 – 125 Tổng photpho 8 – 42 COD 570 - 1063 Dầu mỡ 104 - 313 Nguồn: Hồng Huệ – Xử lý nước thải 2.2.2 Nước thải cơng nghiệp Ơ nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất cơng nghiệp liên quan chủ yếu tớ chế biến thực phẩm, sản xuất phân bĩn hay trong một số ngành đặc biệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc gia… Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, liên quan đến thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các lọai thịt, sữa, đậu…Hợp chất chứa nitơ được thải ra lượng lớn từ các thành phần như máu, mỡ, phân cùng các mẫu thịt hịa tan vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ trong mơi trường và lọai sản phẩm chế biến. Nồng độ hợp chất chứa nitơ trong nước thải cơng nghiệp cũng biến đổi rất mạnh, khơng chỉ theo mùa vụ mà cịn cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm xuất đồng thời nhiều lọai sản phẩm. Bảng 2.3 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải cơng nghiệp Nguồn Nồng độ Nitơ tổng (mg/l ) Giết mổ 115 Chế biến thịt 6 Chế biến thủy sản Cá da trơn Cua Tơm Cá 33 (28 – 50) 94 (58 – 138) 215 (164 – 266) 30 Chế biến rau, quả, đồ uống 4 Bột, sản phẩm khoai tây 21 ( 5 – 40) Rượu vang 40 (10 – 50) Hĩa chất, phân bĩn NH3 – N NO3 – N 1270 550 Nguồn: H. R. Jones. Pollution control in the dairy industry. London 2.2.3 Nước thải nơng nghiệp, chăn nuơi Canh tác nơng nghiệp về nguyên tắc phải bĩn phân đạm cho cây. Trong rất nhiều trường hợp người ta cịn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất chứa nitơ trong đĩ để làm phân bĩn cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân bĩn cây trồng khơng hấp thụ hồn tồn mà một phần sẽ bị phân hủy, rửa trơi vào mơi trường nước. Trong mơi trường nước urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành ammoniac và khí carbonic. CO(NH2)2 + H2O à CO2 + 2NH3 Nguồn nước thải phát sinh trong chăn nuơi cĩ lưu lượng nhỏ hơn so với nước thải sinh họat, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng trại chăn nuơi chứa một lượng chất rắn khơng tan lớn: phân, bùn đất, thức ăn thừa, các hợp chất chứa nitơ được thốt ra ngồi từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nước thải chuồng trại của các lịai nuơi khác nhau cĩ độ ơ nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau. Bảng 2.4. Thành phần nitơ trong phân một số lồi động vật. Phân lồi nuơi Độ ẩm% N % Bị thịt 85 0,5 Bị sữa 85 0,7 Gia cầm 72 1,2 Lợn 82 0,5 Dê, Cừu 77 1,4 Nguồn: Treatment management. Kluver Academic Press 2.3 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC Giới thuỷ sinh cĩ trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao, như tơm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng trong nước, mức độ oxi hịa tan, nồng độ các chất cĩ độc tính…sẽ ảnh hưởng đến đời sống của giới này cĩ trong nước. Nĩi chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trước hết sẽ khơng cịn oxi hồ tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống của giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại. Đĩ là quá trình tự làm sạch của nước. Cĩ 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hĩa học, tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch tồn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đĩ vi sinh vật đĩng vai trị quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn . Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán và hấp thu các chất ơ nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật Chuyển hĩa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này cĩ mối liên quan rất chặt chẽ và cần vai trị rất quan trọng của giới thủy sinh. - Vi khuẩn đĩng vai trị chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng cĩ khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào cĩ trong tự nhiên, các chất đường bột, protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷ muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hố học tổng hợp bị phân huỷ chậm và rất chậm (cĩ khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm). Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chất béo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn. Bản thân tế bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật. Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các lồi thực vật nổi khác. - Tảo và các lồi thực vật nổi khác sử dụng các chất khống, trong đĩ cĩ CO2 cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân tử này làm giàu oxi hồ tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển và được sử dụng vào các phản ứng oxi hố khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ. Thực vật phù du, trong đĩ cĩ tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh và tơm cá nhỏ. - Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v…cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi. - Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng cĩ thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho nước trong. Chúng làm giảm lượng oxi hồ tan trong nước. - Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du. Cá lớn lại ăn cá bé. Người ăn cá và chất thải của người cĩ thể lại làm bẩn nước. Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình cĩ giới hạn, khi số lượng vi sinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ, nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường. Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ơ nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi tồn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm lượng oxy hịa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong mơi trường nước. Vi sinh vật khơng thể xử lý chất ơ nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự làm sạch. Nước dần bị ơ nhiễm nặng. Vì vậy, cần phải cĩ biện pháp xử lý nước thải ơ nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước 2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường khơng nhiều. Sau một thời gian, những nhĩm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số lồi dần phong phú hơn. Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản là quá trình đồng hĩa và quá trình dị hĩa. Quá trình đồng hĩa xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinh khối tế bào. Năng lượng cho quá trình đồng hĩa được lấy từ các phân tử cao năng như ATP, ADP ... , từ quá trình dị hĩa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào. Quá trình dị hĩa cĩ thể xảy ra bên trong và bên ngồi tế bào vi sinh vật, là quá trình phân hủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hĩa. Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường khơng chứa nhiều hợp chất hĩa học giàu năng lượng. Do đĩ, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bên ngồi như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng quang năng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hĩa các chất ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng hĩa năng. Đối với các nhĩm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ quá trình chuyển hĩa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Trong quá trình chuyển hĩa vật chất, vi sinh vật luơn luơn ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hĩa trước, sau đĩ mới sử dụng đến các vật chất khĩ chuyển hĩa hơn. Do đĩ, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong sinh trưởng kép. Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải Ghi chú : 1 : Giai đoạn thích nghi ban đầu 1’: Giai đoạn thích nghi với saccharose 1’’ Giai đoạn thích nghi với tinh bột 2 : Giai đoạn tăng trưởng ban đầu 2’: Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose 2’’ Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột 3 : Giai đoạn cân bằng 4 : Giai đoạn suy vong. A : Đường cong sinh trưởng kép B : Đường cong sinh trưởng đơn. Hình 2.3 Quá trình chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải 2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI Trong nước thải, nitơ thường tồn tại ở ba dạng: nitơ hữu cơ, ammoniac và dạng oxy hĩa (nitrite, nitrate). Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước bị ơ nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây ngộ độc với các và sinh vật trong nước. Nếu trong nước cĩ hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite (NO2-) là nước bị ơ nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bị khử thành N2O, NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào khơng khí. Nếu nitrate ở trong nước cao cĩ thể gây ngộ độc cho người. Amoniac (NH3) ở trong nước thải tồn tại dạng NH3 và NH4+ ( NH4OH, NH4NO3, (NH4)3SO4…) tùy thuộc vào pH của nước vì NH3 là một bazơ yếu. NH3 và NH4+ cĩ vai trị thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng hĩa. Tính độc của NH3 cao hơn ion amon NH4+. Ở nồng độ 0.01 mg/l, NH3 đã gây ngộ độc cho cá. Trong nước mặt tự nhiên vùng khơng ơ nhiễm cĩ hàm lượng amon (<0.05ppm), nước thải cơng nghiệp cĩ hàm lượng amon 10 ÷ 100mg/l. NH3 trong nước thải là sản phẩm của quá trình amon hĩa nhờ các vi sinh vật. Chúng phân hủy các hợp chất N hữu cơ, giúp làm giảm ơ nhiễm chất hữu cơ trong nước, đồng thời sản phẩm NH3 là nguồn cung cấp nitơ cho một số lồi khác khơng cĩ khả năng tham gia quá trình amon hĩa. Số lượng các vi sinh vật này trong nước thải rất khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc và thành phần loại nước thải. NH3 và ion NH4+ sẽ được chuyển thành dạng đạm nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hĩa. Các chất này là nguồn cung cấp đạm cho nguồn nước. Vi khuẩn tham gia quá trình này gồm các lồi: Nitrosomonas europara, Nitrobacter, Nitrosococcus sp. , Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hĩa phân bố rất ít trong mơi trường nước sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các mơi trường nước giàu dinh dưỡng số lượng của chúng cĩ nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khoảng 10 tế bào/ml nước. Quá trình nitrate hĩa chỉ xảy ra khi cĩ mặt của oxy, nghĩa là trong mơi trường thĩang khí, cịn trong mơi trường yếm khí với sự cĩ mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hĩa đĩ là quá trình phản nitrate hĩa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O, NH2OH, NH3 và N2. Trong nước tự nhiên nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5mg/l. Vùng bị ơ nhiễm do chất thải hoặc phân bĩn hàm lượng nitrate trên 10mg/l làm cho rong tảo dễ phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nước nuơi trồng thủy sản. Đối với thủy vực, quá trình phản nitrate thường khơng cĩ lợi ví nĩ làm mất nitơ và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Tuy nhiên, trong xử lý nước thải, đây lại là một quá trình quan trọng giúp loại bỏ bớt hàm lượng nitơ trong nước thải. Sơng, suối, nước mưa, nước thải cĩ chứa Nitrate và Ammoniac Cố định đạm N2 N2O NO2 Vi khuẩn + Sinh trưởng Thực vật phù du NO3 Sinh trưởng Nitrate hĩa Động vật phù du NO2 Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy Hình 2.4 Chu trình Nitơ trong nước thải 2.6 HỆ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 2.6.1 Vi khuẩn Vi khuẩn là nhĩm vi sinh vật cĩ mặt trong hầu hết các loại nước thải. Đối với nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải từ các nhà máy chế biến thịt, thủy sản, tinh bột ... thành phần và số lượng các lồi vi khuẩn là phong phú và đa đạng nhất. Vi khuẩn tham gia nhiều quá trình chuyển hĩa, từ các hợp chất hữu cơ đến vơ cơ, từ các chất dễ phân hủy đến các chất độc hại. Các quá trình này nhờ hệ enzyme phong phú và chuyên biệt của mỗi nhĩm, mỗi lồi vi khuẩn. So với động vật và thực vật thì vi khuẩn cĩ tính thích nghi cao hơn, nhiều lồi cĩ khả năng tự điều chỉnh quá trình trao đổi chất trong những điều kiện sống khơng thuận lợi. Bên cạnh đĩ, vi khuẩn cĩ tốc độ trao đổi chất nhanh. Trong một ngày đêm chúng cĩ thể chuyển hĩa một khối lượng vật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng. Chính vì thế, vi khuẩn là nhĩm vi sinh vật cĩ nhiều tiềm năng nhất trong cơng nghệ xử lý nước thải. 2.6.2 Nấm men Nấm men chủ yếu cĩ trong các lại nước thải chứa đường như nước thải nhà máy rượu, bia, nhà máy đường … Nấm men cĩ thể phát triển trong mơi trường chỉ chứa 1% hàm lượng đường nhưng khả năng chuyển hĩa các hợp chất như protein, tinh bột rất kém, thậm chí cĩ rất nhiều lồi khơng cĩ khả năng chuyển hĩa các hợp chất như protein, hydratcarbon cĩ trong nước thải. Đặc điểm quan trọng là khi nấm men phát triển trong mơi trường nước thải cĩ chứa đường bao giờ cũng cĩ mặt các vi khuẩn tạo acid như acid lactic và acid acetic. Mặt khác nấm men thường tạo ra những sản phẩm độc hại với các vi sinh vật khác, khi tế bào nấm men chết đi sẽ làm trầm trọng thêm quá trình ơ nhiễm, nước thải sẽ cĩ mùi hơi thối khĩ chịu. 2.6.3 Tảo đơn bào Tảo đơn bào cũng là vi sinh vật phổ biến trong nước ơ nhiễm và nước thải. Tảo thuộc nhĩm từ dưỡng quang năng, ưa mơi trường nước cĩ tính kiềm yếu, phát triển mạnh trong mơi trường cĩ CO2 hịa tan. Trong quá trình phát triển, tảo cung cấp oxi cho mơi trường, các chất kháng sinh tiêu diệt mầm bệnh, cạnh tranh nguồn thức ăn của vi sinh vật gây bệnh và là mắt xích rất quan trọng trong chuỗi và lưới thức ăn cho nhiều lồi khác. Cùng với vi khuẩn và nấm men, tảo cũng được sử dụng như một tác nhân xử lý mơi trường. 2.6.4 Những vi sinh vật khác Virus: là lồi vi sinh vật nhỏ bé nhất trong giới vi sinh vật và hầu như bị tiêu diệt trong mơi trường nước ơ nhiễm hoặc nước thải. Virus chỉ tồn tại khi xâm nhập được vào tế bào sống như tế bào vi khuẩn. Khi đĩ, trong chu trình phát triển, chúng sẽ phá hủy tế bào vi khuẩn để nhân lên và phát tán ra mơi trường xung quanh. Nếu quá trình làm tan tế bào này xảy ra trên những vi khuẩn cĩ lợi thì quá trình tự làm sạch nước ơ nhiễm và nước thải sẽ chậm lại. Nguyên sinh động vật: thường phát triển ở vùng đáy nguồn nước, trong đĩ thấy nhiều nhất là amip, trùng đế giày, thủy tức và trùng roi. Các lồi nguyên sinh động vật thường chịu được các loại độc tố rất cao. Do đĩ việc loại bỏ chúng cũng gặp rất nhiều khĩ khăn. Hình 2.5 Hệ vi sinh vật trong nước thải CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1.1 Nguyên tắc Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, cĩ trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khống hố và trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật cĩ thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ cĩ trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hồ tan của các chất trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật cĩ trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khống cĩ trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng. Quá trình phân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tăng số lượng tế bào (gia tăng sinh khối), đồng thời làm sạch các chất hồ tan hoặc các hạt keo nhỏ. Do vậy trước khi xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất cĩ kích thước, trọng lượng lớn ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vơ cơ cĩ trong nước thải thì phương pháp sinh học cĩ thể khử các chất sulfit, muối amon, nitrat…các chất chưa bị oxi hố hồn tồn. Sản phẩm của các quá trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat… 3.1.2 Các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong xử lý nước thải 3.1.2.1 Hệ thống hiếu khí Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống hiếu khí trong nước thải gồm 3 giai đoạn: Oxy hĩa các hợp chất hữu cơ CxHyOz + O2 à CO2 + H2O Tổng hợp tế bào mới CxHyOz + NH3 + O2 à CO2 + H2O + C5H7NO2 Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2 à CO2 + H2O + NH3 3.1.2.2Hệ thống kỵ khí. Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống xử lý kỵ khí gồm cĩ các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Thủy phân Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, carbohydrate, lignin… , được cắt mạch thành các phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hĩa protein thành amino axit, carbohydrate mạch đơn. Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ phân hủy phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Giai đoạn 2: Axit hĩa Vi khuẩn lên men chuyển các chất hịa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi (chủ yếu là axit acetic, propionic và axit lactic), CO2, H2, NH3 và sinh khối mới. Sự hình thành các axit cĩ thể làm giảm pH xuống 4.0 Giai đoạn 3: Acetic hĩa Axit acetic hĩa chuyển hĩa các sản phẩm của giai đoạn axit hĩa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối. Giai đoạn 4: Methane hĩa Vi sinh vật chuyển hĩa methane chỉ cĩ thể phân hủy một số lọai cơ chất nhất định như CO2, H2, acetate… H2 + CO2 à CH4 + H2O 4HCOOH à CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH à CH4 + CO2 4CH3OH à 3CH4 + CO2+ 2H2O 4(CH3)3N+H2O à 9CH4+ 3CO 2 + 6H2O + 4NH3 Ở giai đoạn này acetate, H2, CO2….chuyển hĩa thành methan và sinh khối mới. 3.1.3 Điều kiện áp dụng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Điều kiện đầu tiên để áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nước thải phải chứa một lượng chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tăng nguồn cacbon và năng lượng cho sinh vật. Nước thải khơng cĩ chất độc làm chết hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Hai thơng số đặc trưng COD và BOD5 phải cĩ tỷ lệ COD/BOD5 ≤ 2 hoặc BOD5/COD ≥ 0,5 mới cĩ thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí). Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đĩ gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học yếm khí. Ngồi ra, các điều kiện khác như hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ của nước thải,… cũng phải nằm trong khoảng giới hạn xác định để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý. MỘT SỐ NGUYÊN TẮC TRONG XỬ LÝ HỢP CHẤT NITƠ Hợp chất Nitơ trong nước thải cĩ nồng độ khác nhau trong từng loại nước thải, chủ yếu nằm ở dạng ammoniac hay các hợp chất hữu cơ dạng tan hoặc khơng tan. Nước thải chưa qua xử lý hoặc qua xử lý yếm khí chứa nitrate, nitrite với nồng độ rất thấp. Một phần hợp chất hữu cơ khơng tan được tách ra khỏi nguồn nước thải qua quá trình lắng sơ bộ. Trong quá trình xử lý yếm khí phần lớn nitơ ở dạng hợp chất khơng tan được chuyển ammoniac hoặc các dạng vơ cơ tan (NO3-, NO2-). Một phần hớp chất chứa nitơ được vi sinh vật hấp thụ để xây dựng tế bào, thành phần hợp chất nitơ trong nước thải khi qua xử lý bậc hai là nitrate. Đối với nước thải sinh hoạt, quá trình xử lý thứ cấp chỉ loại bỏ khơng quá 30% tổng Nitơ trong nước thải. Tiến hành oxy hĩa ammoniac, khử nitrate trong hệ thống xử lý nước thải khi cĩ mặt chất hữu cơ phân hủy sinh học là tổ hợp các quá trình hiếu khí, thiếu khí chi phối, khơng những bị chi phối bởi chính các quá trình trên mà cịn bị chi phối mạnh bởi sự cĩ mặt của vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí (oxy hĩa BOD), vi sinh vật dị dưỡng tùy nghi (khử nitrate) trong cùng một hệ. Mỗi quá trình được thực hiện trong những điều kiện khơng giống nhau. 3.2.1 Quá trình oxy hĩa ammoniac. Nguyên tắc chung khi phối hợp hoặc tiến hành riêng rẽ quá trình xử lý oxy hĩa nước thải chứa đồng thời hợp chất hữu cơ (BOD) và hợp chất nitơ (TKN) như sau: Tỷ lệ BOD / TKN trong nguồn nước thải quýet định việc lựa chọn hệ thống xử lý một hoặc hai giai đoạn đối với quá trình oxy hĩa. Thơng thường khi BOD / TKN > 5 sẽ áp dụng đồng thời (một giai đoạn) chất hữu cơ và hợp chất nitơ, khi BOD / TKN <3 sẽ áp dụng kỹ thuật xử lý hai giai đoạn. Khi áp dụng kỹ thuật xử lý một giai đoạn cần tính tốn đồng thời hai quá trình ( tự dưỡng và dị dưỡng) xảy ra trong hệ, quá trình nào sảy ra chậm hơn thì các thơng số phải đáp ứng cho quá trình đĩ và đồng thời phải đáp ứng thêm các yếu tố đặc thù để quá trình xảy ra nhanh hơn. Oxy hĩa hai giai đoạn được tiến hành khi tỷ lệ BOD / TKN < 3. Kỹ thuật xử lý hai giai đoạn cĩ những lợi thế linh hoạt, độ tin cậy cao, dễ tối ưu hĩa. Giai đoạn đầu được sử dụng để loại bỏ BOD và vì vậy giai đoạn sau với mục đích xử lý nitơ được coi là giai đoạn bổ sung nâng cao một hệ thống xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải về mặt dinh dưỡng. Nồng độ BOD của đầu ra giai đoạn một ảnh hưởng đến hoạt động của giai đoạn nitrate hĩa nồng độ cao sẽ kiềm hãm tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng, nồng độ thấp sẽ thuận lợi cho giai đoạn oxy hĩa ammoniac nếu áp dụng phương pháp xử lý màng vi sinh vật. Phương pháp màng vi sinh vật được sử dụng để xử lý hợp chất nitơ giai đoạn sau là nhỏ giọt và đĩa quay sinh học. 3.2.2 Quá trình khử Nitrate Xử lý nitơ thường áp dụng sơ đố cơng nghệ kết hợp giữa oxy hĩa ammoniac và khử nitrate. Sơ đồ cơng nghệ xử lý hợp chất nitơ là cơng nghệ hai giai đoạn hiếu khí và thiếu khí phối hợp với nhau. Hệ xử lý cùng hệ bùn hoặc từng quá trình oxy hĩa và khử tiến hành riêng với hệ bùn độc lập. Để tổ hợp giữa oxy hĩa ammoniac với khử nitrate cần phân tích các đặc trưng riêng của từng quá trình riêng rẽ. Trong quá trình oxy hĩa ammoniac, phản ứng cần được cung cấp oxy, kiềm, pH nằm trong khỏang 7,2 – 8,6, chất hữu cơ tan hầu như được chuyển hĩa hết thành CO2 và H2O. Trong quá trình khử nitrate, phản ứng địi hỏi khơng cĩ mặt của oxy, cần chất hữu cơ, sinh ra một lượng kềm nhỏ, pH thấp hơn so với quá trình oxy hĩa, tốc độ khử nitrate nhanh hơn tốc độ oxy hĩa ammoniac. MỘT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC. Các hệ thống sinh học hiếu khí 3.3.1.1 Bùn hoạt tính Quá trình bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đĩ nồng độ cao các vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn họat tính được thực hiện với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải cơng nghiệp. Bùn hoạt tính bao gồm các vi sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bơng với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền trong bùn hoạt tính cĩ thể đến 90% là chất rắn của rêu, tảo và các phần sĩt rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bơng bùn vàng nâu, dễ lắng và hệ keo vơ định hình và bùn kỵ khí ở dạng bơng và hạt màu đen. Nhũng vi sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh, động vật hạ đẳng. Vai trị cơ bản trong quá trình tự làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn. Hệ vi sinh vật đặc trưng trong bùn họat tính như Bacillus, Pseudomonas, Achrobacter, hổn hợp các vi khuẩn khác như E. coli, Micrococus . Phần lớn các vi sinh vật trên đều cĩ khả năng xâm chiếm và bám dính trên bề mặt vật rắn khi cĩ cơ chất, muối khống và oxy tạo nên màng sinh học dạng nhầy cĩ màu thay đổi theo thành phần nước thải. Trên lớp màng sinh học cĩ chứa hàng tỷ tế bào vi khuẩn nấm men, nấm mốc... Tuy nhiên khác với hệ trong bùn hoạt tính thành phần lồi và số lượng các lồi sinh vật tương đối đồng nhất. Giai đoạn 1: bùn hoạt tính thành phần và phát triển. Lúc này cơ chất và chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn cịn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh.Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần, vào cuối thời giai đọan này rất cao.Tốc độ tiêu thụ tăng dần, vào cuối giai đoạn này cĩ khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần. Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt tối đa, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như khơng thay đổi trong một thời gian khá dài. Giai đoan 3: Tốc độ tiêu thụ oxy cĩ chiều hướng giảm dần và sau đĩ lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm dần và quá trình nitrat hĩa ammoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của aerotank kết thúc. Bùn dư Bùn hoạt tính Không khí Nước thải Nước sạch Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí 3.3.1.2 Lọc sinh học. Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước thải cũng như khơng khí. Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật. Các vi khuẩn trên màng sinh học thường cĩ hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng vi sinh hiếu khí là một hệ vi sinh tùy tiện. Ở ngồi cùng là lớp vi sinh vật hiếu khí mà dễ thấy là trực khuẩn Bacillus ở giữa là các vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Micrococus và Desulfovibrio. Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxy hĩa các hợp chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, các chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, cịn khối lượng màng vi sinh vật tăng lên. Màng vi sinh vật chết được cuốn trơi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học. Vật liệu đệm là vật liệu cĩ độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt lớn như sỏi, xơ dừa..Màng vi sinh vật đĩng vai trị tương tự như bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Tuy nhiên, vận tốc oxy hĩa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn aerotank. Phần lớn các vi sinh vật cĩ khả năng xâm chiếm bề mặt vật rắn nhờ polymer ngoại bào, tạo thành một lớp nhầy. Quá trình diễn ra rất phức tạp. Ban đầu, oxy và thức ăn được vận chuyển tới bề mặt lớp màng. Lúc này, bề mặt lớp màng cịn tương đối nhỏ, oxy cĩ khả năng xuyên thấu vào trong tế bào. Theo thời gian bề dầy lớp màng tăng lên, dẫn tới việc bên trong màng hình thành một lớp kỵ khí nằm dưới lớp hiếu khí. Khi chất hữu cơ khơng cịn, các tế bào bị phân hủy, trĩc thành từng mảng, cuốn theo dịng nước. Hình 3.2 Cơ chế màng lọc sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học là bản chất của chất hữu cơ ơ nhiễm, vận tốc oxy hĩa, cường độ thống khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh vật…. 3.3.2 Các hệ thống sinh học kỵ khí 3.3.2.1 Lọc sinh học kỵ khí hai giai đoạn. Hệ thống sinh học kỵ khí hai giai đọan gồm cĩ: Ở giai đọan đầu, các hoạt động sinh hĩa chính là sự lỏng hĩa các hợp chất hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hịa tan và quá trình axit hĩa các hợp chất hữu cơ. Ở giai đoạn hai xảy ra chủ yếu là sự khí hĩa (tạo metan), tuy nhiên vẫn cĩ sự phân chia ở bề mặt và phân hủy bùn. Giai đoạn đầu thường là quá trình phân hủy tải trọng cao với sự khuấy trộn liên tục hỗn hợp, trong khi đĩ ở giai đoạn hai thường cĩ tải trọng thấp với sự phân riêng bùn và nước. Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dịng vào trong giai đoạn một thường lớn hơn giai đoạn hai. Hầu hết các bể phân hủy được giữ ở nhiệt độ 29,40C – 37,80C để đẩy mạnh thời gian phân hủy. Thơng thường sự axit hĩa sẽ khơng xảy ra nếu bùn khơ được thêm vào hoặc lượng bùn dư hằng ngày khơng vượt quá 3 – 5% lượng bùn khơ cĩ trong hệ thống. Sự axit thể hiện ở sự giảm pH, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn methane, giảm khả năng tạo khí,.... Vì vậy cĩ sự phát ra mùi khĩ chịu, tạo bọt và bùn nổi. 3.3.2.2 Bể bùn kỵ khí dịng chảy ngược – UASB( Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor) Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy cơng nghiệp thực phẩm chứa nồng độ chất hữu cơ cao. Bể chia làm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men. Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng căn giữ lại. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí – lỏng và bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này, bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ cĩ trong nước, di từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể các vi sinh vật liên kết với nhau và hình thành các hạt bùn lớn đủ nặng để khơng bị cuốn trơi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong bể kỵ khí ( chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo ra dịng tuần hồn cục bộ giúp cho việc hình thành các hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. 3.3.2.3 Lọc kỵ khí bám dính cố định Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định cĩ sử dụng các vi sinh vật bám dính trên các vật liệu lọc đặt trong bể cĩ dịng nước thải chảy từ dưới lên hoặc từ trên xuống và màng vi sinh vật bám dính này khơng bị rửa trơi trong quá trình xử lý. Dịng nước thải vào và dịng tuần hồn ra được phân bố từ bên này sang bên kia của bể phản ứng sinh học. Quá trình xử lý xảy ra là kết quả của bùn lơ lửng và hịa trộn sinh khối được giữ lại ở màng lọc. Dịng chảy ra bởi phần trên của màng, là tập hợp các tác nhân bị đào thải. Khí nằm ở phía dưới bể phản ứng được thu lại và được chuyển sang nơi khác để xử dụng sau. 3.3.2.4 Bể phản ứng kỵ khí đệm giãn nỡ - FBR, EBR (fluidized and aepanded bed reactor) Các vi sinh vật bám dính trên các chất mang sẽ được phân bố đều khắp thiết bị nhờ tốc độ dịng chảy ngược thích hợp, làm giãn nỡ lớp cát. Trong hệ thống bể phản ứng kỵ khí cĩ đệm giãn, tốc độ dịng chảy ngược đủ lớn để ngăn sự gắn kết sinh khối của các hạt chất mang này, kết quả là làm gia tăng thể tích đệm so với thể tích thực của nĩ. Trong các đệm giãn nỡ, vận tốc dịng chảy ngược cĩ thể làm giảm đệm từ 15 – 30%. Với thể tích giãn nỡ này, sự kết dính các sinh khối chỉ được ngăn chặn một phần nào đĩ bởi dịng chảy và một phần khác là do sự tiếp xúc với các sinh khối kết dính liền kề nhau. Dưới những điều kiện này, sinh khối kết dính sẽ bị ngăn chặn hồn tồn bởi dịng chảy ngược và di chuyển tự do trong mơi trường đệm. Khí sinh ra ở đây là kết quả của sự tiếp xúc này. CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIỆN NAY Do các đặc điểm của từng quá trình, xử lý nitơ cĩ thể thực hiện bằng hai phương án: khử nitrate riêng biệt hoặc tổ hợp hai quá trình trên trong cùng một hệ sinh khối. Khử nitrate riêng biệt là tiến hành xử lý nguồn nước đã bị oxy hĩa trước đĩ, nguồn nước chứa nitrate. Do xử lý riêng biệt nên cần bổ sung chất hữu cơ như methanol, ethanol… Tổ hợp xử lý oxy hĩa – khử (nitrate hĩa và khử nitrate hĩa) cùng hệ sinh khối hay cịn gọi là hệ xử lý khử nitrate trước, quá trình oxy hĩa được đặt sau và chỉ sử dụng một bể lắng thứ cấp. Loại bỏ nitrate bằng bùn hoạt tính. Loại bỏ nitrate là tạo điều kiện cho vi sinh vật khử nitrate hoặc phản nitrate hoạt động để khử nitrate thành Nitơ phân tử hay bay vào khơng khí. Do vậy các phương pháp sinh học hay được dùng nhiều nhất để loại bỏ ơ nhiễm các chất chứa nitơ. Các điều kiện cấn thiết để khử nitrate là: Trước hết phải cĩ một quá trình nitrate hĩa xảy ra và lượng nitrate được tích tụ khá lớn trong mơi trường. Cần cĩ nguồn carbon hữu cơ cĩ khả năng đồng hĩa. Quan hệ với khơng khí là hiếu khí (anoxic), nguồn carbon cĩ thể là là nước thải thơ, để thỏa mãn việc loại bỏ nitrate, người ta bổ sung nhũng hợp chất hữu cơ dễ bị vi sinh vật đồng hĩa, việc bổ sung nguồn carbon từ bên ngồi là rất cần thiết. Khử nitrate cũng cĩ thể do chuyển hĩa nội sinh của sinh khối vi sinh vật được tạo ra. Trong bùn hoạt tính khi cĩ một số tế bào vi sinh vật chết đi và tự phân hủy, các chất dinh dưỡng được hịa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrate và vi sinh vật nĩi chung. Trong bể aerotank đơn giản làm thống kéo dài, với kiểu làm việc khơng liên tục của các máng sục khí, cho phép khử nitrate từng phần và hiệu quả của tồn bộ quá trình (nitrate hĩa và khử nitrate hĩa) đạt hiệu suất khơng vượt quá 70%. Để thu được hiệu quả loại bỏ nitơ sinh học cao ở các trạm xử lý lớn phải đưa thêm vào đầu bể thống khí (aerotank) một vùng thiếu khí (anoxic). Vùng thiếu khí nhận bùn tuần hồn đưa từ bể lọc thứ hai trở lại với một lượng lớn. Vùng này được cung cấp bằng nguồn nước thải. Sau lọc cùng với bùn hồi lưu, trộn đều nhưng khơng sục khí hiệu quả loại bỏ nitơ sinh học theo kiểu này đạt tới 95% trong các điều kiện tối ưu. 3.4.2 Khử nitrate bằng sinh trưởng ở thể huyền phù Khử nitrate bằng sinh trưởng ở thể huyền phù thường được thực hiện trong một hệ thống bùn hoạt tính hĩa theo kiểu dịng này ( nghĩa là tiếp theo sau bật kỳ quá trình chuyển hĩa ammoniac và nitrogen ở dạng hữu cơ thành nitrate – nitrate hĩa ). Các vi khuẩn kỵ khí nhận được năng lượng để tăng trưởng từ việc chuyển nitrate qua thành khí nitrogen nhưng địi hỏi một nguồn carbon bên ngồi để thực hiện sự tổng hợp tế bào. Các dịng ra được nitrate hĩa thường chứa ít hợp chất cĩ carbon vì thế methanol thường được dùng làm nguồn carbon, nhưng các chất thải cơng nghiệp nghèo chất dinh dưỡng cũng đã được dùng. Vì thế nitrogen tạo thành trong phản ứng khử nitrate cản trở sự lắng xuống của hỗn hợp dịch nên bể phản ứng khử nitrogen phải hoạt động trước bể lắng trong quá trình khử nitrate. Việc khử methanol dư lại, kể cả BOD cũng là một thuận lợi nữa của việc dùng bể khử khí nitrogen. 3.4.3 Loại bỏ nitrate bằng màng sinh học Khử nitrate bằng vi sinh vật phản nitrate hĩa trong màng sinh học sinh trưởng gắn kết cố định ở các lọc sinh học hiệu quả cao. Nước chảy qua màng vi sinh học, nitrate hĩa xảy ra đồng thời với oxy hĩa BOD5 hoặc chậm hơn. Khử nitrate theo phương pháp này thường được thực hiện ở các tháp lọc cĩ chứa sỏi hoặc vật liệu tổng hợp. Các màng sinh học sẽ hình thành bám dính vào bề mặt vật liệu khi nước thải chảy qua. Lọc sinh học hiếu khí cần cấp khơng khí đi qua. Cũng như quá trình khử nitrate theo kiểu sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính), khử nitrate theo kiểu sinh trưởng cố định cũng cần bổ sung nguồn carbon hữu cơ để cung cấp cho vi sinh vật nitrate hĩa và khử nitrate xây dựng tế bào. Nước thải sau khi qua xử lý cĩ BOD = 2.5%mg/l, NH4+ = 3mg/l, hiệu quả phân hủy BOD5 = 89%, lọai bỏ huyền phù 88% và tổng Nitơ được 85%. SBR Các giai đoạn của quá trình SBR xảy ra nối tiếp nhau trong cùng một bể. Chuỗi nối tiếp các giai đoạn của quá trình xử lý gồm: nạp đầy, phản ứng, lắng, tháo ra và chờ. Khử nitơ trong SBR cĩ thể thành hai giai đoạn sau: Giai đoạn 1: giai đoạn đầu tiên là giai đoạn thổi khí nhằm kết hợp oxy hĩa carbon và nitrate hĩa. Giai đoạn 2: giai đoạn hai là giai đoạn thiếu khí thực hiện quá trình khử nitrate hĩa. Quá trình BARDENPHO Gồm 4 vùng hiếu khí và thiếu khí xen kẽ, dịng tuần hồn từ vùng thiếu khí đầu tiên đến vùng thiếu khí đầu chuỗi với lưu lượng 4 – 6 lần lưu lượng vào. Quá trình khử nitơ hồn thiện hơn so với quá trình một, hai, ba bậc. Vùng hiếu khí thứ nhất khơng đạt được khử nitrate hồn tồn thì vùng thiếu khí thứ hai khử bổ sung thêm và hầu như khử lượng nitrate từ vùng hiếu khí thứ hai sang một cách hồn tồn và sử dụng carbon từ quá trình hơ hấp nội bào của vi sinh vật. Vùng hiếu khí sau cùng khử nitơ ra khỏi hỗn hợp bùn lỏng để ngăn ngừa bùn nổi ở bể lắng đợt hai Hình 3.3 Sơ đồ quá trình BARDENPHO CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG VI SINH VẬT CĨ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ 4.1 CÁC CHẾ PHẨM SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI CĨ HÀM LƯỢNG NITƠ CAO. Chế phẩm sinh học là những sản phẩm cĩ chứa một số nhĩm vi sinh vật như Bacillus sp, Nitrosomonas sp, Nitrobacter sp, Pseudomonas….ngồi ra trong thành phần cịn cĩ chứa các enzyme (men vi sinh) như protease, lipase. Tác dụng của chế phẩm sinh học khi đưa vào mơi trường nước ơ nhiễm tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động tốt hơn. Phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước ( chất hữu cơ là một trong những nguyên nhân làm mơi trường nước bị ơ nhiễm) giảm sự gia tăng lớp bùn đáy, giảm các độc tố trong mơi trường nước (do các chất khí NH3, H2S… phát sinh ) do đĩ sẽ giảm mùi hơi trong nước thải. Ức sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật cĩ hại, giúp ổn định pH của nước thải, ổn định màu nước do chế phẩm sinh học hấp thụ các chất dinh dưỡng hịa tan trong nước. Do đĩ việc xử dụng chế phẩm sinh học sẽ cĩ ý nghĩa nhiều mặt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế cho quá trình xử lý nước thải. 4.1.1 Các chế phẩm sinh học xử lý nước thải chứa nitơ trên thị trường. Hiện nay các chế phẩm sinh học đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực mơi trường nhất là xử lý nước thải chứa nồng độ nitơ ( chất hữu cơ) cao. 4.1.1.1 Men vi sinh JUMBO Hình 4.1 Men vi sinh JUMBO Sản phẩm được sản xuất tại Cơng Ty TNHH Điền Giang. Men vi sinh JUMBO là một hổn hợp dạng bột (hoặc lỏng) bao gồm các chủng vi khuẩn (Bacillus subtilis, Bacillus lichenformic, Bacillus polymisa), nấm và các enzyme protease, lipase. Trong 100g sản phẩm chứa 3,5 ×108 cfu Bacillus cĩ khả năng hoạt động mạnh trong mơi trường chứa chất hữu cơ như nước thải. Men vi sinh sẽ tạo ra lớp bùn hoạt tính mới hoặc bổ sung cho lớp bùn hoạt tính cũ của bể vi sinh làm tăng khả năng xử lý các hợp chất trong quá trình xử lý nước thải. Cách sử dụng men vi sinh này được đưa vào giai đoạn khởi động hệ thống, hịa tan 1kg men vi sinh vớo 5 lít nước sau đĩ đổ đều lên bề mặt vi, sinh hồ sinh học để tạo lớp bùn hoạt tính (bùn hiếu khí hay kỵ khí) hoặc vào các lớp màng vi sinh đã cĩ sẳn trong quá trình xử lý nước thải nếu cấy mới 1kg cho 2 – 3 m3 nước thải, cịn nếu cải tạo bổ sung 1kg cho 10 – 15m3 nước thải. Nhằm đảm bảo cho quá trình xử lý triệt để hơn thì cĩ thể bổ sung thêm vi sinh để tăng khả năng xử lý nước thải trong bể xử lý sinh học. Vi sinh vật được bổ sung bằng chế phẩm giúp cho quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ, làm giảm lượng BOD, COD, NH3.. và các mùi hơi. 4.1.1.2 Chế phẩm sinh học EMIC Hình 4.2 Chế phẩm EMIC Hãng sản xuất MITECOM Cơng Ty cổ phần cơng nghệ vi sinh và mơi trường. Chế phẩm EMIC là thành phần gồm hỗn hợp vi sinh hữu ích cĩ khả na7ng phân giải mạnh protein , cĩ khả năng sinh chất ức chế, chất kháng sinh vi sinh vật cĩ hại. Chế phẩm vi sinh EMIC được sử dụng trong quá trình xử lý hiếu khí. Nồng độ vi sinh vật tổng số khoảng > 109 cfu/g. EMIC cĩ tác dụng phân giải nhanh các hợp chất hữu cơ trong nước thải, làm giảm tối đa mùi hơi của chất thải hữu cơ. Đặc biệt phân giải nhanh rác thải cĩ hàm lượng Nitơ chất hữu cơ cao. EMIC là chế phẩm trung tính, an tồn, khơng độc hại với người, giai súc và mơi trường. Đối nước thải cơng nghiệp cấy mới vi sinh khoảng 40 rg/m3 cho lần đầu hoặc hệ thống mới, sử dụng nước thải bổ sung hàng ngày hoặc một tuần một lần với luợng 2 – 4gr/m3/ ngày đêm nước thải hữu cơ. Hệ thống vận hành đảm bảo để vi sinh vật hoạt động tốt 2gr/m3 bể điều hịa 2gr/m3 bể hiếu khí. 4.1.1.3 AQUAPOND Hình 4.3 Chế phẩm AQUAPOND Sản phẩm của Cơng Ty TNHH và TM Văn Minh AB. Chế phẩm bao gồm một số lồi bacillus licheniformis, bacillus megaterium, bacillus stearothermophilus, bacillus subtilis, Pseudomonas và các enzyme protease, lipase.... Chế phẩm AQUAPOND cĩ chức năng phân hủy hợp chất hữu cơ chứa nitơ từ thức ăn thải. Chất bùn bã, chất hữu cơ lơ lửng nhờ khả năng tổng hợp enzyme phân hủy hữu cơ như protease, amylase và lipase. Chúng cịn cĩ chức năng tổng hợp chất kháng khuẩn làm giảm số lượng vi sinh vật gây bệnh và cải thiện cho mơi trường xung quanh. 4.2 MỘT SỐ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐẶC TRƯNG 4.2.1 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chăn nuơi heo. Nước thải Bể biogas Ao lọc sinh học bậc 1 Ao tùy nghi Ao lọc sinh học kỵ khí Ao lọc sinh học bậc 2 Nước ra Hình 4.4 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chăn nuơi heo. Thuyết minh quy trình. Nước thải trước tiên thu gom về bể Biogas. Vì đa phần các hợp chất hữu cơ trong nước thải là dễ phân hủy nên khi qua bể Biogas, khoảng 50 – 60% COD và 70 – 80% cặn lơ lủng bị loại bỏ. Từ bể Biogas, nước thải được dẫn vào ao lọc sinh học kỵ khí cĩ giá đỡ bằng xơ dừa làm đệm sinh học. Trong quá trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm rắn và tạo thành các lớp màng sinh học. Ở đây xảy ra quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật kỵ khí, chuyển hĩa những chất hữu cơ phức tạp thành những chất đơn giản, dễ phân hủy hơn, hoặc tạo thành các sản phẩm cuối cùng như CO2, CH4, H2S, NH4... Sau khi qua khỏi ao lọc sinh học kỵ khí, nước thải được đưa vào ao tùy nghi với thời gian lưu khoảng 10 ngày. Quá trình khử chất ơ nhiễm trong hồ tiến hành bởi hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và tùy nghi. Sự phân bố quần thể các vi sinh này diễn ra theo chiều sâu hồ. Từ ao tùy nghi, nước thải chảy vào ao lọc sinh học bấc và bậc 2. Nhìn chung pH sau quá trình này thường đạt trung tính (pH = 7 ). Tạo ao lọc sinh học bậc 1, hiệu quả khử COD đạt 50 – 68%. Ao lọc sinh học bậc 2 cho hiệu quả khử COD đạt 15 – 50%. Như vậy áp dụng ao sinh học hiếu khí cho phép khử 80 – 90% COD, 80 – 86% Nitơ. 4.2.2 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột. Nước thải vào Hồ tùy nghi Bể lọc sinh học kỵ khí Bể trung hịa Bể axit hĩa Bể lắng Song chắn rác Hồ hiếu khí 1 Hồ hiếu khí 2 Sân phơi bùn Nước sau xử lý Hình 4.5 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột Thuyết minh cơng nghệ Trước tiên nước thải được dẫn hồ ổn định, sau khi qua song chắn rác để loại bỏ tạp chất cĩ thể gây tắc nghẽn hệ thống xử lý. Tại hồ ổn định nước thải được đưa vào bể lắng, lượng cặn tinh bột mịn sẽ được thu hồi làm thức ăn gia súc. Nước thải sau khi lắng được bơn đến bể axit hĩa với thời gian lưu nước 2 ngày với mụ đích chính là khử CN- và chuyển hĩa các chất khĩ phân hủy thành các hợp chất đơn giản dễ xử lý sinh học. Vi sinh vật hoạt động tại bể axit hĩa được bổ sung từ bùn tự hoại và phân bị tươi. Kế tiếp, nước thải tự chảy vào bể trung hịa, vật liệu trung hịa là đá vơi. Nước thải sau trung hịa cĩ pH vào khoảng 6 – 6.5 thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo. Từ đây, nước thải tự chảy đến bể lọc sinh học kỵ khí với thời gian lưu nước hai ngày. Vật liệu lọc là sơ dừa dạng sợi tơi, cĩ diện tích tiếp xúc bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí bám dính, phát triển tốt. Mầm vi sinh vật đưa vào ban đầu vẫn là bùn tự họai. Cuối cùng nước thải được xử lý qua hệ thống hồ sinh học nhằm khử triệt để chất hữu cơ và đặt biệt là khử nitơ. Hệ thống hồ sinh học bao gồm hồ tùy nghi (lưu nước 20 ngày), hồ hiếu khí 1 (lưu nước 10 ngày), hồ hiếu khí 2( lưu nước 5 ngày). Bùn sau lắng và bùn sinh ra từ quá trình lọc kỵ khí được xả định kỳ vào bể phơi bùn và tận dụng làm phân bĩn. CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Áp dụng các quá trình sinh học trong việc xử lý nitơ cũng như các hợp chất hữu cơ cĩ trong nước thải là một phương pháp cĩ hiệu quả cao. Hàm lượng nitơ trong nước thải sau khi qua xử lý bằng phương pháp sinh giảm từ 80 – 90 % so với lượng ban đầu. Các phương pháp sinh học sử dụng để khử nitơ trong nước thải cần cĩ điều kiện thực hiện khá khắc khe tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển. Tiến hành nhiều phương pháp khác nhau trước khi tiến hành xử lý bằng phương pháp sinh học. 5.2 KIẾN NGHỊ Cần cĩ kinh tế và diện tích tiến hành các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải với quy mơ lớn trong một thời gian ngắn. Nhằm xử lý triệt để lượng nước thải của các ngành. Cần cĩ nhiều nghiên cứu khác nhau để xo sánh mức độ, khà năng xử lý của từng cơng trình xử lý. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty - Vi Sinh Vật Học – Nhà Xuất Bản Giáo Dục [2] Lê Văn Cát – Xử Lý Nước Thải Giàu Nitơ Và Photpho –Nhà Xuất Bản Hà Nội, 2007 [3] PGS. TS. Nguyễn Văn Phước – Giáo Trình Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Và Cơng Nghiệp Bằng Phương Pháp Sinh Học – Nhà Xuất Bản Xây Dựng – 2007 [4] Trần Cẩm Vân – Giáo Trình Vi Sinh Vật Mơi Trường – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội [5] Nguyễn Đức Lượng – Cơng Nghệ Enzyme – Nhà Xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [6] Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Nguyễn Lân Dũng, Phạm Trân Châu – Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1982 [7] PGS. TS Lương Đức Phẩm – Cơng Nghệ Xử Lý Nước Thải Bằng Biện Pháp Sinh Học – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam. [8] Nguyễn Đức Lượng,Nguyễn Thị Thùy Dương - Cơng nghệ sinh học mơi trường – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam [9] Trần Đình Toại, Trần Thị Hồng, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Cơng nghệ 23 (2007) 75-85 [10] Hồng Huệ - Xử lý nước thải - NXB Xây dựng Hà Nội, 1996 [11] Ngơ Tự Thành, Bùi Thị Việt Hà, Vũ Minh Đức, Chu Văn Mẫn - Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Cơng nghệ 25 (2009) 101-106 [12] PGS.TS Nguyễn Xuân Thành - Giáo Trình Vi Sinh Vật Học Cơng Nghiệp – Nhà Xuất Bản Giáo Dục [13] Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt - Dinh Dưỡng Của Vi Sinh Vật – Nhà Xuất Bản Hà Nội [14] Nguyễn Đức Lượng - Vi sinh vật cơng nghiệp, Cơng nghệ vi sinh Tập 2 - NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2006 [15] Nguyễn Tiến Thắng, Giáo trình cơng nghệ enzyme - Trường Đại học Kỹ thuật cơng nghệ Tp.HCM, 2008 TÀI LIỆU INTERNET [1] [2 [3 www.xulynuocthai.net [4 www.khoahoc.com.vn [5 www.wikipedia [6