ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HCM ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HCM
SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KTNĐ&BVMT
___________________ ______________
B
B
Á
Á
O
OC
C
Á
Á
O
OC
C
H
H
U

L
Ý
ÝN
N
I
I
T
T
Ơ
ƠT
T
R
R
O
O
N
N
G
GN
N
Ư

GP
P
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
GP
P
H
H
Á
Á
P
PS
S
I


MỤC LỤC

I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƯỚC RỈ RÁC (NRR) 1
II. CÁC CHỈ SỐ VÀ NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ SINH HỌC ĐỐI
VỚI NƯỚC THẢI 2
2.1. Nhu cầu oxy hóa sinh (BOD) 2
2.2. Tổng chất thải rắn lơ lửng 4
2.3. Tổng Nitơ 4
2.4. Tổng photspho 6
2.5. Nguyên tắc xử lý sinh học đối với nước thải 6
2.5.1. Sự phân hủy k
ị khí 7
2.5.2. Sự phân hủy hiếu khí 8
III. KHỬ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI 9
3.1. Quá trình Nitrrat hóa 9
3.2. Quá trình phản Nitrrat hóa (Denitrification) 10
3.3. Quá trình Sharon 12
3.4. Quá trình Anammox 14
3.4.1. Cơ chế họat động của quá trình Anammox 15
3.4.2. Đặc điểm sinh lý học của vi khuẩn anammox 17
3.4.3. Vi sinh học quá trình Anammox 17
3.5. Tổng hợp các quá trình Nitơ sinh học trong tự nhiên 19
3.6. Khử Nitơ bằng phươ
ng pháp ghép Sharon/Anammox 21
3.7. Khử Nitơ bằng công nghệ Snap 23
TÀI LIỆU THAM KHẢO 26
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương

NP. Loan, 2007 và NV. Thu, 2007).
BÃI CHÔN LẤP
CHỈ SỐ
Gò Cát Phước Hiệp Đông Thạnh
Thời gian
thu mẫu
ĐƠN VỊ
TÍNH
NRR mới
thu vào các
tháng
2,3,4/2002
NRR cũ thu
vào tháng
8 /2006
NRR mới
thu vào
tháng
1,4/2003
NRR cũ thu
vào các
tháng
4/03- 8/06
NRR thu
vào các
tháng
2,4/2002
NRR thu
vào các
tháng

0,89
0,25 -
0,43
N-NH
3
mg/L 297 - 790 1.360 -
1.720
760 - 1.550 1.590 - 2.190 1.245 -
1.765
520 - 785
N-Organic mg/L 336 - 678 - 252 - 400 110 - 159 202 - 319 -
TDS mg/L 7.300 -
12.200
9.800 -
16.100
18.260 -
20.700
6.500 - 8.470 10.950 -
15.800
9.100 -
11.100
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
2
Với nồng độ rất cao lại tồn tại dưới nhiều dạng thức khác nhau Nitơ từ NRR có
thể làm cạn kiệt nguồn oxy hòa tan của nguồn tiếp nhận, kích thích tăng trưởng các
lòai thực vật nước, gây độc cho cho các lòai động vật sinh sống trong thủy vực; độc
chất tạo ra còn có thể ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng dân cư, ảnh hưởng tới sự
ổ

hữu ích khi cần phân tích và lựa chọn những công nghệ thích hợp để xử lý nguồn
nước thải nói chung cũng như xử lý riêng từng yếu tố gây độc hiện diện trong nước
thải. Các chỉ số cơ bản đó là: Biochemical Oxygen Demand (BOD), tổng chất rắn
hòa tan (TSS), Nitrat hóa (Ntrification) và Phản Nitrat hóa (Denitrification). Một vài
quá trình căn bản liên quan đế
n công nghệ xử lý nước thải cũng được đề cập. Nếu
hiểu được phần lý thuyết đứng đằng sau các quá trình xủ lý căn bản đó thì sẽ dễ
dàng nhận biết được vì sao lại áp dụng và áp dụng như thế nào các quá trình công
nghệ ấy cho một đối tượng xử lý cụ thể.
2.1. Nhu cầu oxy hóa sinh (BOD)
Nước thải chứa đựng nhiều các lọai chất hữu cơ và vô cơ
khác nhau. Hợp phần
hữu cơ chủ yếu trong nước thải là những chất cao phân tử được hình thành trên cơ
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
3
sở nguyên tố cacbon, phân và chất thải cũng như các chất tẩy rửa, xà phòng, mỡ
động thực vật, dầu nhớt và các thức ăn thừa… (đặc biệt là rác từ nhà bếp còn thô
hoặc đã xay nhỏ). Với sự có mặt của oxy các phân tử hữu cơ khổng lồ đó sẽ dễ dàng
bị vi khuẩn phân hủy thành những phân tử nhỏ hơn, và sau đó thành C0
2
và nước.
Lượng oxy cần cho quá trình đó được gọi là nhu cầu oxy hóa sinh – BOD hoăc
BOD
5
, tức là lượng oxy thể hiện bằng số mg O
2
mà vi sinh vật tiêu thụ trong vòng 5
ngày để phân hủy được một lượng (hoặc nồng độ) vật chất hữu cơ tương đương.

nguyên sinh động vật cần thiết khác sẽ bị chết, làm hạn chế khả năng tự họai của bể.
Lượng oxy ở vùng “đệm sinh học” thấp cũng đồng thời kích thích tăng trưởng các
vi khuẩn kị khí không đ
òi hỏi oxy. Nhiều lòai vi khuẩn kị khí tạo màng nhầy bao
quanh nhanh chóng bịt kín các lỗ thóat ở vùng thấm (giống như trường hợp các lỗ
thóat của phễu đã bị bịt kín để nước không còn chỗ thóat). Như vậy, sự quá thừa
BOD trong nước thải làm cho màng thấm họat động yếu ớt, bể tự họai nhanh chóng
mất khả năng tự hủy.
Việc khử bớt BOD đặc biệt quan trọ
ng khi nước thải chảy vào vùng thấm là lọai
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
4
đất chặt, khó thấm. Lọai đất kém thấm này thường cấu tạo từ bùn phù sa và sét (kích
thước hạt < 0,05 mm). Những hạt đất nhỏ bé như thế thường xếp rất chặt và các
khỏang trống giữa chúng thường rất hẹp. Khi nồng độ BOD giảm có nghĩa là nước
thải đã giúp vi khuẩn tăng trưởng giới hạn, và do đó nước thải ở đầu ra có khả năng
thấm vào đấ
t khó thấm. Có những thiết kế đặc biệt để nước từ bể tự họai thấm nhanh
vào bùn phù sa hoặc đất sét.
Khử BOD trong bẻ tự họai có thể thực hiện khá dễ dàng nếu bể được cung cấp
thêm oxy; nó sẽ giúp vi khuẩn tăng trưởng và phân hủy BOD hữu cơ. Vì thế khi
thiết kế các hệ xử lý nâng cao người ta thường gắn thêm một bộ phận “tái sinh oxy”.
Bộ phận này thườ
ng được đặt ở giữa ngăn tự họai và ngăn thấm trong hệ tự họai
hoặc đặt vào bên trong bể tự họai để cung cấp thêm oxy. Khi đó việc giảm BOD trở
nên tương đối dễ dàng và quá trình tự họai trở nên có hiệu quả, nước thải sau bể tự
họai có lượng BOD thấp sẽ chảy tiếp vào “vùng thấm”. Cần nhấn mạnh rằng BOD
trong bể tự h

3
thường tồn tại dưới dạng các ion NH
4
+
và sự hiện diện của Oxy
giúp vi khuẩn oxy hóa chất này thành Nitrat (NO
3
-
). Ở các hệ tự họai thông thường
với điều kiện thông thóang tốt thì đa phần Ammonia ở tầng thấm biến thành Ntrat.
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
5
Nitrat có thể gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe nếu như nó thâm nhập vào giếng,
nơi cung cấp nước để ăn uống và sinh họat. Nitrat và các dạng khác của Nitơ có thể
có hại đối với môi trường, đặc biệt là ở các vùng duyên hải, nơi mà sư thừa Nitơ
kích thích một quá trình được gọi là phú dưỡng (Eutrophication). Vì lý do đó đã tạo
ra các lọai công nghệ thích hợp cho phép lựa chọn để lọai Nit
ơ khỏi nước thải. Các
công nghệ đó thường sử dụng vi khuẩn oxy hóa Ammonia thành Nitrat và khí Nitơ
(N
2
) trả lại cho khí quyển.
Sự biến đổi sinh học Ammonia thành khí Nitơ là một quá trình 2 bước. Ở bước
thứ nhất Ammonia bị oxy hóa thành Nitrat và sau đó, ở bước hai Nitrat bị khử thành
khí Nitơ. Các phản ứng trên đòi hỏi các điều kiện môi trường khác nhau và thường
thực hiện ở các khu vực riêng trong hệ xử lý nước thải.
Ở bước thứ nhất, sự biến đổi Ammonia thành Nitrit và sau đó thành Nitrat, được gọi
là quá trình Nitrat hóa (NH

[2]
Cần nhấn mạnh rằng quá trình này đòi hỏi tiêu thụ oxy và chính nó cũng đóng
góp thêm một phần BOD trong tổng BOD của nước thải. Quá trình này đươc các vi
khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện, chúng đòi hỏi có môi trường hiếu khí
(sự có mặt của Oxy) để tăng trưởng và chuyển hóa Nitơ. Như vậy, quá trình nitrat
hóa phải diễn ra trong điều kiện hiếu khí.
Bước 2 của quá trình là sự biền đổi Nitrat thành khí Nit
ơ được gọi là Phản
Nitrat hóa (denitrification). Nó được thể hiện bằng phản ứng [3] như sau:
NO
3
-
+ 5/6 CH
3
OH → 1/2 N
2
+ 5/6 CO
2
+ 7/6 H
2
O + OH
-
[3]
Quá trình này do các vi khuẩn Pseudomonas denitrificans, Bacillus
licheniformis, Thiobacillus denitrificans…thực hiện. Để việc khử Nitrat thành khí
Nitơ có thể sẩy ra bình thường thì mức oxy hòa tan trong môi trường phản ứng phải
gần hoặc bằng số không; như vậy quá trình phản Nitrat hóa phải diễn ra trong
điệu kiện kị khí. Tuy nhiên, để thực hiện phản Nitrat hóa các vi khuẩn trên cần được
cung cấp năng lượng qua việc sử dụng vật liệu chứa cacbon hoặc BOD trong nướ
c

2
PO
4
-
, chúng cũng có thể tạo thành dạng tổ hợp với các
cation (các ion mang điện tích dương).
Hiện vẫn chưa biết được có bao nhiêu phospho có thể lọai bỏ được trong các hệ
tự họai thông thường. Một lượng nhất định có thể bị vi sinh vật lấy đi để tạo sinh
khối (khi vi khuẩn chết thì đương nhiên löôïng phospho được giải phóng ra sẽ hòan
trả lại cho bể tự họai; như thế
càng khó xác định được có bao nhiêu phospho thực sự
bị vi sinh vật lấy đi). Một lượng phospho trong bể tự họai cũng có thể bị lọai qua
vùng thấm bằng kết tủa hóa học. Ở pH acid nhẹ (như thường thấy trong đất)
orthophosphat liên kết với các cation sắt hoặc nhôm hóa trị 3 để tạo thành tủa FePO
4

và AlPO
4
không tan qua các phản ứng [4] và [5] như sau:
Fe
3+
+ (H
n
PO
4
)
(3- n)
→ FePO
4
+ nH

gia của các vi sinh vật để biến nước thải độc hại thành vô hại. Điều kiện môi trường
tương thích đối với sinh trưởng và phát triển của mỗi nhóm vi sinh vật, ảnh hưởng
đến hiệu quả họat động xử lý, đế
n sự hình thành các sản phẩm cuối và sự hòan tất
tòan bộ quá trình xử lý nước thải. Các hệ xử lý nước thải nói chung, dù là những hệ
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
7
tự họai rất chuẩn xác hoặc là những công nghệ xử lý tiên tiến, đều phải quan tâm
trước hết đến việc tạo ra môi trường hóa sinh tốt nhất để kiểm sóat quá trình xử lý.
Có 3 lọai biến đổi hóa sinh thường gập trong quá trình xử lý nước thải. Thứ
nhất: khử vật chất hữu cơ hòa tan như chất tẩy rửa, dầu mỡ và chất thải hòa tan từ
cơ th
ể chẳng hạn; những chất này là hợp phần chủ yếu tạo nên BOD trong nước thải.
Thứ hai: phân hủy và ổn định vật chất hữu cơ không hòa tan như các chất thải từ cơ
thể và các thực phẩm thừa chẳng hạn; chúng là hợp phần của lượng BOD còn
lại.Thứ ba: xử lý để giảm thiểu các hợp chất của nitơ và phospho tới nồng độ
nhỏ
nhất có thể để không ảnh hưởng tới môi trường sinh thái và sức khỏe con người.
Hai môi trường hóa sinh chủ yếu mà trong đó sẩy ra quá trình xử lý nước thải là môi
trường hiếu khí và môi trường kị khí. Hiếu khí là môi trường trong đó oxy hòa tan
hiện diện với lượng đủ để vi sinh vật tăng trưởng và hô hấp, tức là các họat động
sống không bị hạn chế do thiếu oxy. Ngược lạ
i, kị khí là môi trường mà trong đó
không có sự hiện diện của oxy hòa tan hoặc nếu có thì nồng độ cũng chỉ ở mức vừa
đủ để hạn chế quá trình biến dưỡng hiếu khí. Môi trường hóa sinh thường ảnh hưởng
rất sâu sắc đến sinh thái và dân số các vi khuẩn tham gia họat động xử lý nước thải.
Các điều kiện hiếu khí hướng tới việc đảm bảo duy trì chuỗi thức ă
n cho tòan bộ

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
8
hiếu khí và chính vì lẽ đó mà cần phải cân nhắc xem ở đâu cần phân hủy nhanh vật
liệu hữu cơ thì ở đấy nên sử dụng quá trình phân hủy hiếu khí.
Như đã bàn tới ở trên, môi trường kị khí là bắt buộc đối với quá trình phản
Nitrat hóa, bởi vì các vi khuẩn thực hiện quá trình này đòi hỏi các điều kiện kị khí để
khử Nitrat thành khí Nitơ. Tại nhiều hệ xử lý n
ước thải người ta thường gắn thêm
một thiết bị xử lý kị khí nhằm để lọai bỏ các hợp chất nitơ và được coi là một hợp
phần mới của quá trình công nghệ xử lý nước thải.
2.5.2. Sự phân hủy hiếu khí
Đó là quá trình phân hủy nước thải bằng vi khuẩn hiêu khí. Ưu điểm chính của
quá trình này là khả năng phân hủy nhanh và đến cùng vật liệu hữu cơ làm cho nồ
ng
độ BOD giảm đến mức thấp nhất. Quá trình này được sử dụng trước hết để khử
BOD, lọai Nitơ bằng quá trình Nitrat hóa/ Phản Nitrat hóa. Bởi lẽ hàm lượng BOD
trong nước thải tươi thường cao nên lượng oxy hòa tan tiêu thụ quá nhanh nên đa
phần các xử lý được thiết kế đều có gắn thêm thiết bị cung cấp oxy để duy trì họat
động xử lý hiếu khí.Một số lọai thiết bị sử dụ
ng cách sục khí mở rộng (extended
aeration) để phân hủy hòan tòan chất rắn trong nước thải. Nhiều thiết bị xử lý hiếu
khí được cung cấp thêm giá thể nhân tạo để vi khuẩn sinh trưởng bám lên bề mặt giá
thể.Các hệ nuôi cấy bám như thế được thiết kế sao cho khi ở bên trong bể xử lý,
nước thải sẽ chảy tràn lên bề mặt lớp màng vi khuẩn kết bám. Diện tích mặt tiếp xúc
củ
a “màng sinh học” (biofilm) này được tăng cường bằng cách đặt vào bồn xử lý
một số lọai giá thể nhân tạo như các khối bọt hoặc các miếng nhựa xoắn với diện
tích mặt tiếp xúc lớn. Môi trường nhân tạo trong bồn xử lý được sắp xếp sao cho
dòng chảy chảy tuần hòan thường xuyên được bổ sung không khí để họat động xử lý
luôn ở trạng thái hiếu khí. Cũng có thể đặt môi tr

lặp lại một số lần). Khi việc xử lý đã hòan tất thì mẻ nước thải xử lý cuối cùng
được bơm khỏi bồn và bùn mới được bơm vào để thực hiện mẻ xử lý tiếp theo.
III. KHỬ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
Phụ thuộc bản chất của nước thải đầu vào mà nguồn Nitơ có thể tồn tại dưới
dạng các hợp chất hữu cơ như protein, peptid, acid amin hoặc các hợp chất vô cơ
như NH
3
, NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
v.v Nguồn Nitơ hữu cơ nhanh chóng bị thủy giải th
ành acid amin, các chất này tiếp tục bị oxy hóa để biến thành các hợp chất nitơ vô
cơ và tích lũy trong nước thải. Ở nồng độ cao, các hợp chất đó trực tiếp hoặc gián
tiếp ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Việc tiếp tục
khóang hóa các hợp chất Nitơ vừa nêu trong tự nhiên thành khí N
2
, trả lại cho khí
quyển và trả lại nguồn nước sạch cho tự nhiên thường diễn ra theo con đường Oxy
hóa Ammonium sinh học trong điều kiện môi trường hiếu khí/kị khí với tên gọi quen
thuộc là quá trình Nitrat hóa/Phản Nitrat (Nitrification/Denitrification = N/D).
3.1. Quá trình Nitrrat hóa
+ Nitrat hóa là quá trình biến đổi sinh học Ammonium thành Nitrat (NO
3
-

o
C. Ở 40
o
C hoặc cao hơn tốc độ Nitrat
hóa giảm tới số 0.
+ Tuổi bùn và mức độ hòa trộn bổ sung vào hệ thống xử lý cũng là những hợp
phần không thể thiếu đối với quá trình Nitrat hóa. Bởi vì khi chuẩn bị cho xử lý cần
biết tuổi bùn để tính tóan thời gian cần thiết cho việc lưu bùn và mức độ sục khí hợp
lý. Sục khí mở rộng tạo thuận lợi hơn cho quá trình Nitrat hóa so vớ
i kiểu tiếp cận
ổn định hoặc các hệ bùn họat tính với tuổi bùn quá cao và chu kỳ sục khí kéo dài.
+ Tác động gây độc và kìm hãm tăng trưởng vi sinh vật luôn được coi là những
vấn đề cần được quan tâm khi quá trình Nitrat hóa họat động. Các hợp chất gây độc
mạnh nhất đối với hệ vi khuẩn tham gia quá trinh nitrat hóa là cyanide, thiourea,
phenol và các kim lọai năng như Ag, Hg, Ni, Cr,Cu và Zn cần được đặc biệt quan
tâm. Nguồn phát sinh của những hợp chất độc h
ại vừa nêu có thể từ chính nước thải
xử lý. Đời sống của các vi khuẩn tham gia Nitrat hóa cũng còn có thể bị đe dọa bởi
chính các cơ chất của chúng gây nên. Ví dụ vi khuẩn oxy hóa Nitrit rất mẫn cảm với
acid nitơ tự do (HNO), còn vi khuẩn oxy hóa ammonia thì mẫn cảm với ammonia tự
do. Mức ammonia tự do cao làm giảm tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn tham gia
quá trình Nitrat hóa.
3.2. Quá trình phản Nitrrat hóa (Denitrification)
Phản Nitrat hóa là quá trình hô hấp kị khí mà trong đó Nitrat là ch
ất nhận điện
tử. Khái niệm được đơn giản hóa hơn: sự phản Nitrat hóa thường gập khi nguồn
cung cấp oxy tự do đã bị cạn kiệt và chính Nitrat lại trở thành nguồn cung cấp oxy
cho vi sinh vật. Khi này vi khuẩn sẽ phân hủy Nitrat (NO
3
-

Hình 1. Sơ đồ N/D theo Ludzack-Ettinger
Bể thiếu khí cần đảo trộn chứ khơng sục khí. Thiết bị đảo trộn có thể là máy cơ
hoặc motor chìm gắn với máy trộn lọai chân vịt hoặc cánh quạt.
Theo q trình Wurhman thì bồn thiếu khí lại được đặt sau khu vực Nitrat hóa
(hình 2.). Ở q trình này nguồn oxy hòan tòan dựa vào lượng Nitrat tạo được ở bồn
sục khí có nước thải. Các vi khuẩn làm nhiệm v
ụ phản Nitrat hóa là hợp phần chính
của bùn hồi lưu.
Để q trình phản Nitrat hóa họat động có hiệu quả thì cần phải bổ sung vật liệu
hữu cơ .
Sở dĩ như vậy ví đa phần chất hữu cơ trong nước thải xử lý đã bị các vi khuẩn
hiếu khí và vi khuẩn tùy ngộ sử dụng hết. Chính vì thế việc bổ sung vật liệu hữu cơ
vào bồn thiếu khí coi như là bắt buộc. Nguồn vật liệ
u hữu cơ nào cần bổ sung sẽ bàn
sau. Bồn thiếu khí cần đảo trộn chứ khơng phải sục khí. Đó là một trong những động
Hình 2. Sơ đồ N/D theo Wurhman
thiếukhí
Hiếu khí

SHARON, ghép các chữ cái của cụm từ Single reactor for High activity Ammonia
Removal Over Nitrit – SHARON).
3.3. Quá trình Sharon
Đó là quá trình biền đổi ammonium thành Nitrit theo phản ứng [1]. Sự oxy hóa
ammonium không đi xa hơn mà dừng lại ở NO
2
-
. Sự oxy hóa tiếp NO
2
-
thành NO
3
-

bị chặn lại dựa trên cơ sở: i) Ở điều kiện nhiệt độ 30-40
o
C các vi khuẩn Oxy hoá
ammonium thành Nitrit (Nitrosomonas) tăng trưởng nhanh hơn vi khuẩn Oxy hóa
Ntirt thành NO
3
- (Nitrobacter). ii) nhờ đó có thể lọai trừ sự có mặt của vi khuẩn oxy
hóa nitrit cùng một lúc với vi khuẩn oxy hóa ammonium bằng cách không lưu giữ
sinh khối vi khuẩn tham gia Nitrat hóa quá lâu. Để đạt được mục đích đó người ta
thực hiện quá trình SHARON ở nhiệt độ khỏang 30-40
o
C trong 01 bể phản ứng đơn
giản có sục khí và khuấy trộn và iii) Chọn thời gian lưu nước (bùn) thích hợp để đáp
ứng được 2 yêu cầu nêu trên (Jetten et al., 1997), (Van Donggen et al., 2001).
Tùy thuộc nồng độ ammonium trong nước thải đầu vào và nồng độ nước thải
đầu ra mà thời gian cần thiết để thực hiện quy trình SHARON có thể giao động

NH
4
+
-N → NO
2/3
-N 66% 90%
NO
2/3
-N → N
2
70% 95%
Kết quả trên cho thấy nồng độ ammonium càng cao, thời gian lưu nước càng lâu
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
13
thì hiệu quả biến đổi Ammonium theo quy trình SHARON càng lớn.
Trong điều kiện thực tế tại nhà máy xử lý nước thải Dokhaven (Hà Lan) hệ
thống xử lý ammonium hoạt động trong các năm 1997/1998, 1999, 2000 cho hiệu
quả loại Nitơ đạt giới hạn 80-90%, trong đó khoảng 70% tải trọng Nitơ loại được
trực tiếp qua Nitrit, không thông qua quá trình phản Nitrat hoá.
Do chỉ oxy hóa ammonium tới NO2- và phản Nitrat hóa không thông qua nitrat
nên có thể tiết kiệm được ít nhất 25% lượng oxy và 40% MeOH so vớ
i khử Nitơ
theo con đường Nitrat hoá/phản Nitrat hoá truyền thống.
Các yếu tố ảnh hưởng đến họat động của quá trình SHARON
Nhiệt độ và pH
Ở khoảng nhiệt độ 30-40
o
C vi khuẩn oxy hóa nitrite phát triển rất chậm, tốc độ

2
O [6]
Khi lượng ammonium khỏang 50% bị chuyển hóa thành NO
2
-
thì pH bắt đầu
giảm và khi pH dưới 6,5 quá trình oxy hóa ammonium không xảy ra nữa. Sở dĩ như
vậy vì pH phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa nồng độ NH
3
và NH
4
+
, phản ứng
[7]:
NH
4
+
↔ NH
3
-
+ H
+
[7]
Công thức trên cho thấy ammonia được sử dụng như là cơ chất của vi khuẩn oxy
hóa ammonium. Khi pH thấp hơn 6,5 sự cân bằng dịch chuyển sang bên trái lúc đó
nồng độ nitơ ở dạng ammonia hiện diện ở mức rất thấp trong môi trường.
Thời gian lưu nước
Khi sử dụng hệ SHARON thì thời gian lưu bùn không cần quan tâm nhiều, mà
cần quan tâm tới thời gian lưu nước. Sở dĩ như v
ậy vì các vi khuẩn oxy hóa nitrite có

+ 1,32 NO
2
-
+ H
+
→ 1,02 N
2
+ 0,26 NO
3
-
+ 2, H
2
O [8],
trong đó vi khuẩn anammox dùng ammonium làm nguồn dinh dưỡng, còn vi
khuẩn thuộc các lòai Nitrosomonas và Nitrospira chỉ làm nhiệm vụ biến đổi
ammonium tới như phản ứng [1]. Cho đến gần đây người ta vẫn nghĩ rằng vi khuẩn
anammox kị khí và vi khuẩn hiếu khí Nitrosomonas không thể cùng tồn tại và họat
động trong cùng một thiết bị phản ứng. Tuy nhiên, khi đảm bảo được nồng độ oxy
hòa tan rất thấp và nồng độ NH4+ cao trong môi trường thì chúng có thể cùng tồ
n
tại, họat động bình thường mà không cần bổ sung chất dinh dưỡng. Và như thế,
nhóm vi khuẩn anammox màu đỏ cùng với nhóm Nitrosomonas tạo thành một cặp
bài trùng ăn ý cùng tham gia họat động khử ammonium.
Thực ra phản ứng khử ammonium theo quá trình Anammox đã được dự đóan từ
rất lâu. Trên cơ sở tính tóan về nhiệt động học của các phản ứng đã tiên đóan được
sự tồn tại của các vi khuẩ
n hóa tự dưỡng có khả năng oxy hóa ammonium bởi Nitrat,
Nitrit. Xét về mặt năng lượng quá trình phản ứng sẩy ra thậm chí còn lẹ hơn phản
ứng oxy hóa bởi Oxy phân tử:
NH

+ 1.5 O
2
 NO
2
-
+ 2 H
+
+ H
2
O G
0
= -275 KJ/mol
Thực vậy, minh chứng đầu tiên về sự hiện diện của hiện tượng Anammox trong
tự nhiên được phát hiện tại bể Phản nitrat hóa trong bể lắng bùn tại Gist-Brocades
(Delft, Hà Lan). Trên cơ sở những kết quả phân tích sự cân bằng Nitơ đã phát hiện
thấy sự giảm nồng độ ammonium, nitrat và nitrit sẩy ra cùng một lúc với sự tảo
thành Nitơ phân tử trong điều kiện kị khí (Mulder et al, 1995). Nhóm các nhà khoa
họ
c ở Đại học Kỹ thuật Delft sau đó đã tiến hành nghiên cứu, mô tả và xác nhận
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
15
được Anammox là quá trình sinh học, trong đó ammonium được oxy hóa trong điều
kiện kỵ khí với Nitrit là yếu tố nhận điện tử để tạo ra khí Nitơ (Van de Graaf et al.,
1995, 1996 và 1997). Tiếp đó, phản ứng Anammox cũng lần lượt được phát hiện tại
các hệ xử lý nước thải ở Đức (Schmid et al., 2000), Nhật bản (Furukawa et al.,
2002), Thụy sĩ (Egli et al., 2001), Bỉ (Pynaert et al., 2002) và Anh (Schmidt et al.,
2003). Các nhà khoa học sau đó chuyển hướng sang tìm kiếm các vi khuẩn tham gia
thực hiện quá trình Anammox tạ

khuẩn sẽ chuyển hóa chất này thành hydrazin. Tiếp đó, hydrazin vừa tạo thành lại bị
oxy hóa ngay bởi một enzym khác là hydroxyloamin - oxidoreductase (HAO) thành
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
16
nitơ tự do, giải phóng 4 proton và 4 electron. Khi nitrit xuất hiện thì 4 electron vừa
được giải phóng cùng với nitrit chuyển hóa thành hydroxylamin bởi enzym nitrite-
reductase (NIR); và khi không còn nitrit (hoặc ít NO
2
) thì các electron sẽ được giải
thóat khỏi hệ thống bằng cách khác. Còn khi tỷ lệ giữa hydrazin với NH
3
và N
2
không thích hợp thì quá trình sẽ diễn ra theo phản ứng [9] như sau:
3N
2
H
4
→ 4NH
3
+ N
2
[9].
Sự phân hủy hydrazin thường chậm hơn sự tạo thành hydroxylamin vì thế
hydrazin sẽ tích lũy trong hệ thống và khi phân hủy sẽ tạo thành NH
3
và N
2


HH

4e
-

NO
2
-

NH
3

N N
5H
+
Cytoplasm
Anammoxosome
H
2
N = NH
2

4H
+
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
17
Hình 5. Sơ đồ phân khoang tế bào vi khuẩn anammox (Van Niftrik et al., 2004).

+
+ NO
2
-
→ N
2

AOB
NH
+
4
+ O
2
→ NO
-
2

∆G
0

kJ/mol -357 -275
Y mol-C/mol-N 0.066 0.08
q
max
hieáu khí nmol/min/mg/protein 0 200 – 600
q
max
kị khí nmol/min/mg/protein 60 2
µ
max

– năng lượng tự do, Y – hiệu suất tạo sinh khối, q
max
– hoạt tính cực đại,
µ
max– tốc độ sinh trưởng cực đại, DT – thời gian nhân đôi, K
s
– hệ số ái lực, K.A: không
áp dụn; AOB- vi khuẩn ammonium oxydizing Bacteri (Jetten et al., 2001).
3.4.3. Vi sinh học quá trình Anammox
Đã có 3 chi vi khuẩn anammox đã được phát hiện gồm: Brocadia, Kuenenia và
Scalindua. Về vị trí phân lọai các vi khuẩn này là những thành viên mới tạo nên
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
18
phân nhánh 6 của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetales (Schmidt et al.,
2005). Đã tiến hành nghiên cứu nuôi cấy bùn kị khí nhằm làm giàu vi khuẩn
anammox bằng phương pháp nuôi mẻ bồn liên tục (SBR), tách sinh khối vi khuẩn
bằng kỹ thuật ly tâm gradient tỷ trọng, chiết xuất DNA và phân tích trình tự rDNA
16s. Kết quả cho thấy, nhóm vi khuẩn màu đỏ này thực sự thuộc phân ngành
Planctomycetes và được đặt tên là Candidatus Brocadia anammoxidans. Brocadia là
tên của Trạm pilot xử lý nước thải, nơi lần đầu tiên phát hi
ện ra vi khuẩn anammox
(Strous, 1999). Đặc điểm đặc trưng của nhóm vi khuẩn này là trong thành tế bào
không có sự hiện diện của peptidoglucan, sinh sản bằng phương pháp đâm chồi, nội
bào phân khoang chức năng (Jetten et al., 2001). Kết quả giải trình tự rDNA 16s
sinh khối vi khuẩn anammox phân lập từ bể xử lý RBC ở Stuttgart (Đức) cho thấy

Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
19
(fluorescent in situ hybridization – FISH) với hàng chục “cực dò” nucleotid (hoặc
oligonucleotid probes) và nhiều đọan mồi (primers) đặc trưng cho phản ứng PCR
khuếch đại gen rDNA 16s dùng để phát hiện anammox đã được thiết kế và chế tạo
(Schmidt et al., 2005). Hình 6 là biểu tượng cây phát sinh lòai (Phylogenetic tree)
được tạo lập trên cơ sở kết quả phân tích giải trình tự gen rDNA 16s của các vi
khuẩn anammox cùng mối quan hệ giữa chúng trong bộ Planctomycetales (A) và
giữa các chi anammox đã biết với các dòng anammox m
ới phát hiện (B). Một vấn đề
nữa đang tồn tại cần được tiếp tục làm sáng tỏ là tuy giữa 3 chi anammox đã biết có
chung tổ tiên, hơi xa nhau về mặt tiến hóa (độ tương đồng về trình tự nucleotid nhỏ
hơn 85%) thì tại sao lại có sự tương đồng khá rõ rệt về phenotip ví dụ như tốc độ
tăng trưởng chậm như nhau, trong tế bào dều có cấu tử
anammoxosome với thành
phần lớp membran đều chứa lipid laderance. Hình 6: Cây phát sinh lòai của vi khuẩn anammox
(A): quan hệ với các chi khác thuộc bộ Planctomycetales. (B) quan hệ giữa các chi và dòng
có hoạt tính anammox (Schmid et al., 2005)

3.5. Tổng hợp các quá trình Nitơ sinh học trong tự nhiên
Các quá trình Nitơ sinh học sẩy ra trong tự nhiên với sự tham gia của vi sinh vật
được tổng hợp trong bảng 3 và sơ đồ khử N-NH
4
+
bằng phương pháp sinh học (bảng

7
O
2
N + 5O
2
→ Ammonification Bacteria
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
20
No. Reaction Process Microorganisms References
4CO
2
+HCO
3
-
+ NH
4
+
+
H
2
O
(aerobic)
2

NH
4
+
+ OH

2

Assimilation Bacteria, Algae
(growth)

4

NH
4
+
+ 1.5O
2
+ 2HCO
3
-

→ NO
2

+2CO
2
+ 3H
2
O
Nitritation Nitrosomonas, e.g. N.
eutropha, N. europea;
Nitrosospira 5

3

+2CO
2
+ 3H
2
O
Nitrification Nitrifying bacteria

6 C+2NO
3

→ 2NO
2
-
+ CO
2Denitratation
Denitrifying
heterotrophic bacteria 7
2N
2
+ 4HCO
3
-
+ CO
2
Denitrification

Heterotrophs:
Pseudomonas,
Bacillus, Alcaligenes,
Paracoccus
Rittmann
and
McCarty
(2001);
Henze et al.
(2002)

8
NH
4
+
+ 0.75O
2
+ HCO

→ N
2
+ 2H
2
O

Anammox (without
cell synthesis) Planctomycetales
9b
NH
4
+
+ 1.32NO
2
-
+
0.066HCO
3
-
→1.02N
2
+
0.26NO
3

-
→ 2N
2
+ 7CO
2
+
10H
2
O
Modified nitrogen
removal
Bacteria
4+
5+
6+
7

4NH
4
+
+ 8O
2
+ 5C +
4HCO
3
-
→ 2N
2
+ 9CO
2

+
1.43H
2
O
CANON
Nitrifying
bacteria,
Planctomycetales
Sliekers et
al. (2002)

10

NH
4
+
+ 0.75O
2
→ 0.5N
2
+
H
+
+ 1.5H
2
O

OLAND

Nitrosomonas


2. Partial nitrification (SHARON)
3. Anammox

4. Canon

5. NOx-process 3.6. Khử Nitơ bằng phương pháp ghép Sharon/Anammox
Gần đây hai quá trình SHARON và Anammox được ghép lại để xử lý nước
thải giàu các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ và ammonium (hình 5). Trong nước thải,
các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ bị phân hủy thành acid amin, các chất này tiếp tục
bị oxy hóa thành các acid hữu cơ và NH
4

NH
4
/NO
2

(50/50)
NH
4
/NO
2

(50/50)
NH
4

(100)
N
2
/NO
3

(90/10)
N
2
/NO
3

(90/10)
N
2

/m
3
[Strous et al. 1997]. Việc biến đổi NH
4
+
thành khí N
2
bằng phương pháp
ghép 2 quá trình trên được gọi là quá trình Phản Ammon hóa
(Deammonification) tỏ ra có đầy hứa hẹn đối việc xử lý phần nước nổi giàu
ammonium tràn từ tháp xử lý (Szalkowska). Sở dĩ như vậy vì nó có thể làm giảm
đáng kể tải trọng Nitơ trong điều kiện giảm đáng kể chi phí năng lượng để cung
cấp khí cho quá trình Nitrat hóa hiếu khí và không cần bổ sung thêm bất kỳ nguồn
carbon nào mà lượng bùn sinh ra lạ
i rất ít. Việc áp dụng quá trình 2 bước này
(Nitrit hóa một phần và Anammox) có thể tiến hành từng bước riêng lẻ trong 2
thiết bị hoặc trong cùng một hệ thống. Cả 2 cách đều đã được kiểm chứng trong
phòng thí nghiệm và tại pilot.
Hình 5: Công nghệ SHARON/Anammox ghép với nhà máy xử lý nước thải để xử lý
Nitơ

Do bị oxy hóa hạn chế nên ở bể SHARON chỉ khoảng 50% NH
4
+
của nước thải
Bể lắng
I
NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Anoxic
Aerobic


10% N-NO
3
Nước
vào
XỬ LÝ NƯỚC ÉP BÙN BẰNG CÔNG NGHỆ SHARON/Anammox
- Tỉ lệ NH
4
+
/NO
2
-
tối ưu cho
Anammox là 1:1 quá trình
SHARON tạo ra

- 35
0
C, thời gian lưu bùn ngắn,
- rửa trôi vi khuẩn nitrat,
- ammoniun bị oxy hóa giới hạn ở
nitrit
Báo cáo chuyên đề: Xử lý Nitơ trong NRR bằng công nghệ sinh học

Thực hiện: GS. TS. Ngô Kế Xương
23
đầu vào biến thành NO
2
-
và sau đó ở bể Anammox hiệu quả biến đổi hỗn hợp

với nồng độ rất cao trong nước thải. Ý tưởng này đã được người Nhật mô hình hóa
bằng sơ đồ khối như hình 6 dưới đây:
Hoạt động của mô hình SNAP xảy ra hòan tòan tự động. Việc theo dõi và điều
chỉnh các thông sô môi trường như nhiệt độ, pH, DO được thực hiện bằng chương
Nước vào
Effl
Cấp khí

Tường
phân cách
Sợi rẻo
Acr