109
TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 48, 2008 PHÁT TRI
ỂN QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC MỚI LOẠI NITƠ
TRONG N
ƯỚC THẢI TRÊN CƠ SỞ PHẢN ỨNG ANAMMOX
Phạm Khắc Liệu
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
Kenji Furukawa
Trường Sau đại học về Khoa học và Công nghệ, Đại học Kumamoto (Nhật Bản)
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu sự phát triển, khả năng xử lý và một số đặc trưng của quá trình xử lý
sinh học loại nitơ mới kết hợp nitrit hóa bán phần và oxi hóa kỵ khí amôni, viết tắt là SNAP.
Quá trình SNAP được phát triển trong các bể phản ứng sử dụng vật liệu bám cho sinh khối làm
từ sợi acrylic. Thí nghiệm nạp liên tục bằng nước thải tổng hợp mô phỏng nước rỉ rác chứa
amôni với nồng độ 240 mg-N/L ở tải trọng 0,6 kg-N/m
3
/ngày cho thấy sự vận hành ổn định với
hiệu suất chuyển hóa amôni 85-90% và hiệu suất loại nitơ 75-80%. Kết quả tương tự đạt được
trong một bể phản ứng khác với nồng độ amôni 500 mg-N/L và tải trọng đến 1,0 kg-N/m
3
/ngày,
với hiệu suất loại nitơ 80%. Quá trình SNAP sinh ra rất ít bùn, với hiệu suất sinh bùn 0,045 mg-
VSS/mg-N bị loại. Sự cùng tồn tại của các vi khun oxi hóa hiếu khí amôni (AOB), oxi hóa nitrit
(NOB) và oxi hóa kỵ khí amôni (anammox) trên lớp bùn bám dính đã được xác nhận. Các chủng
vi khun AOB và NOB tương tự với Nitrosomonas europaea và Nitrospira sp; các chủng vi
khun anammox tương tự với các chủng đã được biết trước đó là KU2 và KSU-1 đã được phát
hiện bằng kỹ thuật phân tích gen 16S rDNA.
1. Mở đầu

+
→ 1,02 N
2
+ 0,26 NO
3
-

+ 0,066 CH
2
O
0,5
N
0,15
+ 2,03 H
2
O (1)
110
Sự phát hiện phản ứng anammox đã mở ra hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ
m
ới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao và chất hữu cơ thấp. Quá trình
x
ử lý trên cơ sở kết hợp nitrit hóa-anammox có nhiều ưu điểm hơn xử lý bằng nitrat
hóa-kh
ử nitrat, làm giảm đáng kể chi phí xử lý [2]. Theo hướng tiếp cận nitrit hóa bán
ph
ần-anammox, một nửa amôni trong nước thải được oxy hóa đến nitrit, tiếp đó phần
còn l
ại phản ứng với nitrit tạo ra theo phản ứng anammox. Do nitrit hóa và anammox là
các chuy
ển hóa sinh học, thực hiện bởi các nhóm vi khuNn tự dưỡng có đặc điểm sinh

pH, nhi
ệt độ, tốc độ sục khí) đều được kiểm
soát b
ởi thiết bị tự động. Bể phản ứng được
kh
ởi động bằng bùn hoạt tính được nuôi lâu
dài trong phòng thí nghi
ệm với môi trường
d
ịch chiết thịt-pepton. Lượng bùn cấy vào ban
đầu là 13 g (theo SS). Nước thải tổng hợp, mô phỏng nước rỉ rác đã qua xử lý giảm
COD,
được bơm vào để chạy bể phản ứng. Thành phần nước thải đầu vào được cho ở
b
ảng 1.
2.2. Bố trí thí nghiệm
C
ả hai bể phản ứng đều đã hoạt động hơn 200 ngày qua các pha khởi động và
nitrit hóa tr
ước khi đạt đến pha SNAP. Ở bể SN-2, ảnh hưởng của các điều kiện vận
hành
được nghiên cứu qua 10 đợt thí nghiệm, ở mỗi đợt thay đổi các thông số HRT, pH,
nhi
ệt độ và tốc độ sục khí. Sau đó, kéo dài thêm 5 đợt để khảo sát sự ổn định của quá
trình. B
ảng 2 trình bày các điều kiện vận hành ở các đợt thí nghiệm. Bể SN-3 được chạy
v
ới các điều kiện tốt nhất đã thu được ở bể SN-2 để nghiên cứu khả năng làm việc ở tải
tr
ọng nitơ cao. Hiệu quả của quá trình SNAP được đánh giá qua mức chuyển hóa amôni

.2H
2
O 235,2 235,2
7. FeSO
4
.7H
2
O 16 16
8. Na
2
.EDTA 16 16
9. KHP
(a)
37,5 37,5~45
10. Humic acid 0 4,5~5,0
(a)
KHP: Potassium Hydrogen Phthalate (C
8
H
5
O
4
K)
2.3. Phương pháp phân tích
NO
2
-N, NO
3
-N và độ kiềm lần lượt được xác định theo các phương pháp tiêu
chu

BLAST trên ngân hàng d
ữ liệu NCBI. Các mồi đặc hiệu anammox gồm Ana-5’ (5’-
TAGAGGGGTTTTGATTAT-3’) và Ana-3’ (5’-GGACTGGATACCGATCGT-3’) [8].
Đối với các vi khuNn nitrat hóa, DNA được tách chiết rồi khuếch đại với các cặp mồi
357F-534R và GM5F-907R [9]. Ch
ạy DGGE đối với các mảnh DNA đã khuếch đại, các
b
ăng DGGE tách ra được xác định trình tự và sau đó đi so sánh độ tương đồng như trên.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. S
ự hình thành quá trình SNAP
Bảng 2. Các đợt thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện vận hành lên quá trình SNAP

Đợt thí nghiệm (từ ngày
đến ngày)
Điều kiện vận hành
HRT (h)
Nhi
ệt độ
(
o
C)
pH
Tốc độ sục
khí (vvm)
(a)

1 (0~17) 6 35 7,5 0,10
2 (18~31) 6 35 7,5 0,06
112

Ngưng chạy, bảo quản bùn trong tủ lạnh
(d)
Khởi động lại bể, điều chỉnh các thông số

Phản ứng nitrit hóa bán phần đã xảy ra ở bể SN-2 trong khoảng 240 ngày từ khi
kh
ởi động (báo cáo này không mô tả pha nitrit hóa). Trong suốt pha nitrit hóa, sai lệch
cân b
ằng nitơ vào-ra không đáng kể (khoảng 5%). Tuy nhiên, ở cuối pha này, đã xuất
hi
ện sự mất nitơ trên 80% và hiện tượng giảm đồng thời NH
4
-N và NO
2
-N, như chỉ ra
trên hình 2. Màu c
ủa bùn chuyển từ vàng sẫm sang hơi đỏ. Đây là các dấu hiệu của sự
0
20
40
60
80
100
189 193 197 201 205 211 215 219 223 227 231 235 239 243 247 253 262
Th
ời gian vận hành từ khi khởi động (ngày)
Chuyển hóa NH
4
-N (%);
NO

K
ết quả vận hành trong 10 đợt thí nghiệm của pha SNAP được trình bày ở hình
3. Hi
ệu quả chuyển hóa amôni và loại nitơ cao đạt được ở các đợt thí nghiệm có HRT
dài (
đợt 5~10), có thể do tốc độ sinh trưởng chậm của cả vi khuNn AOB và anammox.
Quá trình SNAP
được cải thiện khi pH tăng từ 7,5 lên 7,8 (đợt 3-4). Tuy nhiên, cả hiệu
su
ất chuyển hóa amôni và loại nitơ đều giảm khi pH cao hơn 8 ở đợt thí nghiệm 7, có
th
ể do sự ức chế của NH
3
tự do đối với các vi khuNn AOB và anammox. Sự gia tăng sục
khí (
ở đợt thí nghiệm 8) dẫn đến gia tăng mức chuyển hóa amôni nhưng đồng thời làm
t
ăng nồng độ nitrat. Hiện tượng này là do ái lực oxy của vi khuNn oxy hóa nitrit (NOB)
cao h
ơn AOB, nên khi DO tăng (2,2-2,5 mg/L so với 0,5-2,0 mg/L ở các đợt thí nghiệm
khác) s
ẽ thúc đNy sự tạo thành nitrat. Nhìn chung, hiệu quả loại nitơ tăng theo nhiệt độ.
S
ự thay đổi đồng thời HRT và tốc độ sục khí (đợt 4-5) dẫn đến thay đổi đáng kể hiệu
qu
ả quá trình SNAP. Kết quả tốt nhất thu được ở đợt thí nghiệm thứ 5, với mức chuyển
hóa amôni và hi
ệu suất loại nitơ trung bình tương ứng là 88,1 ± 3,1% và 78,5 ± 2,8% (n
= 15). Các
điều kiện vận hành ở đợt này là HRT 10 h, nhiệt độ 35

bình c
ủa 60 ngày là 89,2 ± 6,2% và 76,3 ± 7,2% ở tải trọng 0,6 kg-N/m
3
/ngày.
114
So sánh các thông số của SNAP với một số quá trình có nguyên tắc xử lý tương
tự được cho ở bảng 4. Mức chuyển hóa amôni và hiệu suất loại nitơ của SNAP cao hơn
so với các quá trình CANON và OLAND trên bể phản ứng kiểu SBR (mẻ kế tục), hơi
th
ấp hơn quá trình OLAND cải tiến trên thiết bị RBC (đĩa quay sinh học).
Hình 3. Hiệu quả vận hành của quá trình SNAP ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau
Bảng 3. Vận hành của bể SN-2 ở các đợt thí nghiệm xác định tính ổn định
Đợt TN 1 13 9 14 5 15
Chuyển hóa
NH
4
-N, %
52,2 ± 2,4

58,9 ± 5,2

77,0 ± 2,4

76,4 ± 11,2

88,1 ± 3,1

89,8 ± 6,2

Hiệu suất

kg-
N/m
3
/ngày

%
SNAP
(SN-2)
0,58 0,51 88,1 0,45 78,5
Nghiên
cứu này
SNAP
(SN-3)
1,00 0,66 65,9 0,56 56,3
Nghiên
cứu này
CANON
(SBR)
0,131 0,075 57,2 0,064 48,9 [3]
OLAND
(SBR)
0,25 0,07 26,2 0,04 15,2 [4]
OLAND
(RBC)
1,189 1,135 95,5 1,058 89,0 [5]
0
20
40
60
80

/mg NH
4
-N chuyển hóa hay 4,2 ± 1,0 mg CaCO
3
/mg-N bị loại. Các giá trị này
khá g
ần với giá trị lý thuyết (4,07 mg CaCO
3
/mg-N bị loại). Như vậy, tiêu thụ độ kiềm
trong quá trình SNAP ch
ỉ bằng khoảng một nửa so với trong quá trình nitrat hóa hay
nitrit hóa (7,1 mg CaCO
3
/mg NH
4
-N chuyển hóa). Sự tiết kiệm tiêu thụ độ kiềm là một
ưu điểm của quá trình xử lý trên cơ sở anammox bên cạnh tiết kiệm nhu cầu oxy.
3.3.3. Nồng độ bùn trong bể và hệ số sinh bùn
Trong th
ời gian vận hành ổn định, nồng độ bùn trong bể SN-2 được xác định rất
cao, kho
ảng 7,0 g-SS/L-thể tích bể; và lượng bùn bám khoảng 0,52 g-SS/g-vật liệu.
Điều này cho thấy khả năng bám sinh khối cao của vật liệu sợi acrylic. Trên cơ sở cân
b
ằng khối, hiệu suất tạo bùn của SNAP tính được khá thấp, chỉ 0,045 mg-VSS/mg-N bị
lo
ại. Từ đó, tuổi bùn được ước tính khoảng 189 ngày. Hệ số sinh bùn thấp cũng là một
ưu điểm của quá trình xử lý sinh học, sẽ làm giảm yêu cầu xử lý bùn dư.
3.4. Thành ph
ần vi khun chức năng trong bùn SNAP


SN-2 (ngày 344) Vi khuNn từ bùn thiếu khí không nuôi cấy
KU2 (AB054007)
116/116 (100%)

116
SN-2 (ngày 442) Planctomycete KSU-1 (AB057453) 116/116 (100%)

SN-3 (ngày 344) Vi khuNn từ bùn thiếu khí không nuôi cấy
KU2 (AB054007)
131/131 (100%)

SN-3 (ngày 442) Vi khuNn từ bùn thiếu khí không nuôi cấy
KU2 (AB054007)
105/106 (99%)

Bảng 6. Kết quả tìm kiếm tương đồng với các trình tự được khuếch đại bằng các đoạn mồi cho
vi khun nitrat hóa
Mẫu
Ch
ủng tương đồng cao nhất (Số truy
c
ập)
Độ tương đồng
Tất cả mẫu của SN-
2 và SN-3
(a)

Nitrosomonas europaea (AJ245759) 99/104 (97%)


amôni g
ần 90% và hiệu suất loại nitơ đến 80% ở tải trọng vận hành 0,6 kg-N/m
3
/ngày
khi ch
ạy với nước thải mô phỏng nước rỉ rác có nồng độ amôni đầu vào 240 mg-N/L.
Hi
ệu quả xử lý tương tự cũng có thể đạt được khi vận hành ở tải trọng cao đến 1,0 kg-
N/m
3
/ngày và nồng độ amôni 500 mg-N/L.
- Quá trình SNAP có m
ột số ưu điểm giúp giảm chi phí xử lý như: vận hành ở
DO th
ấp, tiêu thụ độ kiềm thấp và hệ số tạo bùn rất thấp (0,045 mg-VSS/mg-N bị loại).
- S
ự cùng tồn tại các vi khuNn oxy hóa hiếu khí và kỵ khí amôni trong lớp bùn
bám trên v
ật liệu mang sợi acrylic đã được kiểm chứng bằng kỹ thuật phân tích sinh học
phân t
ử. Các vi khuNn chức năng được phát hiện trong bùn SNAP gồm các AOB tương
đồng cao với Nitrosomonas europaea và các vi khuNn anammox tương đồng cao với các
ch
ủng anammox đã biết trước đó là KU-2 và KSU-1.

117
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Strous, M., Heijnen J.J., Kuenen J.G, and Jetten M.S.M, The sequencing
batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic
ammonium-oxidizing microorganisms, Appl. Microbiol. Biotechnol., Vol. 50,

sludges, Journal of Japan Society on Water Environment, Vol. 27, No. 6,
(2004), 413-418.

118
DEVELOPMENT OF A NOVEL NITROGEN REMOVAL PROCESS USING
ANAMMOX REACTION
Pham Khac Lieu
College of Sciences, Hue University
Kenji Furukawa
Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University, Japan
SUMMARY
In this paper, the development and some characteristics of a novel nitrogen removal
process named SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial Nitritation)
are presented. The SNAP process was developed on reactors packed with acryl-resin fiber
biomass carriers and seeded with nitrifying activated sludge during long-term partial
nitritation. Continuous experiments on a synthetic landfill leachate containing 240 mg NH
4
-N/L
showed the stable ammonium conversion of 85~90% and N-removal of 75~80% at loading rate
of 0.6 kg-N/m
3
/d. The operation of another reactor fed with 500 mg NH
4
-N/L also confirmed the
treatment capability, with 80% N-removal at loading rates up to 1.0 kg-N/m
3
/d. The SNAP was
a less sludge producing process with a sludge yield of 0.045 mg-VSS/mg-N removed. There was
a co-existence of aerobic ammonium oxidizers (AOB), anaerobic ammonium oxidizers
(anammox bacteria) and nitrite oxidizers (NOB) in the SNAP sludge. Nitrifiers closely relative