NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMMONIUM NỒNG ĐỘ THẤP TRONG
NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ANAMMOX
TS. Nguyễn Xuân Hoàn
Phó Hiệu trưởng - Trường ĐH Công nghiệp TP.HCM
ABSTRACT
The method of combining anoxia process and anammox to get rid of nutrient in
wastewater has been piloted successfully. It proved to be efficient and time-saving in
processing therefore can be applied for nutritious water source.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xử lý nước thải trước hết cải thiện môi trường sống của con người và xa hơn nữa là
nhằm cân bằng sinh thái, tạo điều kiện môi trường phát triển bền vững.
Niơ và photpho là hai nguyên tố cơ bản của sự sống, liên quan mật thiết đối với các hoạt
động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp. Hợp chất của nitơ, photpho được gọi là thành
phần dinh dưỡng và là đối tượng gây ô nhiễm nghiêm trọng. Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng
hợp chất hóa học vào môi trường nước sẽ sinh ra được 20 kg COD, tương tự như nitơ,
thải 1 kg photpho sẽ sinh ra 138 kg COD dưới dạng tảo chết [2]. Nước thải sinh hoạt
hoặc nước thải công nghiệp một số ngành đặc trưng như chế biến thủy, hải sản, nước thải
sản xuất phân bón, hóa chất, nước thải chế biến cao su, nước thải nuôi trồng thủy sản,
nước thải chăn nuôi heo, gia súc … sau khi xử lý hàm lượng chất dinh dưỡng còn lại (N,
P) thường rất cao (từ chục đến hàng trăm mg/l). Khi thải loại nước này vào nguồn tiếp
nhận thường xảy ra các hiện tượng phú dưỡng hóa (eutrophication), tức là tảo và các thực
vật khác phát triển rất nhanh, mật độ lớn. Vào ban ngày hoặc khi thời tiết nắng, cuối buổi
chiều, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh liệt che chắn ánh sáng không cho thực
vật sống ở lớp dưới phát triển làm mất nguồn thức ăn cho thủy động vật, chúng hấp thụ
CO2 hoặc bicarbonat (HCO3-) trong nước và thải ra oxy làm pH của nước tăng nhanh, (có
thể lớn hơn 10) nhất là khi nguồn tiếp nhận có độ kiềm thấp (tính đệm thấp do cân bằng
của hệ H2CO3 - HCO3- - CO32-) và nồng độ oxy hòa tan lại đạt tới mức siêu bão hòa, có
thể tới 20 mg/l [2]. Ngược với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp (phân hủy chất
hữu cơ để tạo ra năng lượng), tảo thải CO2, nhất là khi vào ban đêm hoặc ngày ít nắng
quá trình diễn ra mãnh liệt gây ra tình trạng thiếu oxy và pH trong nước giảm (thấp hơn
5,5). Khi tảo chết lắng xuống dưới đáy bị vi sinh vật và nấm phân hủy làm cạn kiệt nguồn

+
trình oxy hóa ammonium bởi nitrite xảy ra trong điều kiện không có oxy theo tỷ lệ giữa NH4 và
-

NO2 tương đương 1:1 [18], cơ chế sinh hóa dựa

vào sự cân bằng sinh khối trong quá trình

làm giàu anammox được thiết lập cụ thể như sau:
+

-

-

+

-

NH4 + 1,32 NO2 + 0,066 HCO3 + 0,13H = 1,02N2 + 0,26NO3 + 0,066CH2O0,5N0,15 + 2,03H2O

Trong đó quá trình khử ammonium trong điều kiện kỵ khí (quá trình Anammox)
xảy ra trong điều kiện tự dưỡng mà NO2 đóng vai trò không thể thiếu trong quá trình thực
hiện sự chuyển hóa chất dinh dưỡng. Như vậy để loại bỏ Ammonium trong nước thải dựa
vào sự phát triển sinh khối (CH2O0,5N0,15) từ phản ứng anammox như trên đòi hỏi quá
trình chuyển hóa vật chất luôn tuân thủ theo cơ chế 50:50:
Ammonium được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng với công nghệ
mới này thì quá trình xử lý đơn giản hơn, ít tiêu tốn năng lượng và rút ngắn thời gian xử
lý. Với những ưu điểm vượt trội, quá trình anammox trong những nghiên cứu thực
nghiệm đã đạt được những kết quả rất cao trong xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học.

Anammox hoạt động tốt nhất trong khoảng nhiệt độ từ 20 đến 43 C (tối ưu ở 40 C), pH 6,7 đến
+
8,3 (tối ưu pH 8,0), tốc độ tiêu thụ ammonium cực đại tương đương 55 µmol NH4 /g protein/min
[2, 26].
Ngoài ra phương pháp kết hợp anammox – sharon (Single reactor system for Hing-rate
Ammonium Removal Over Nitrite) [2] cũng được thử nghiệm xử lý hợp chất nitơ trong nước thải
tách ra từ phân hủy bùn kỵ khí dựa vào đặc điểm của vi khuẩn oxy hoá ammonium (AOB) sinh
trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB), nguyên tắc của hệ thống này là chọn thời
0
gian lưu thủy lực (HRT) đủ ngắn và vận hành ở nhiệt độ cao (> 30 C) để cho vi khuẩn oxy hóa
nitrite bị rửa trôi khỏi bể phản ứng và quá trình oxy hoá ammonium chỉ dừng ở nitrite. Methanol
được dùng làm nguồn carbon cho khử nitrite, bể phản ứng sharon vận hành ở nhiệt độ 30 đến
0
40 C, pH từ 7,0 đến 8,0 và thời gian lưu 1,5 ngày. Bể được vận hành theo các chu kỳ 2 giờ, gồm
80 phút hiếu khí (nitrite hóa) và 40 phút kỵ khí (khử nitrite). Sau đó quá trình nitrite hóa để kết
hợp với anammox thành một quá trình xử lý hai giai đoạn. So với hệ thống nitrite hóa - khử
nitrate truyền thống thì quá trình sharon - anammox tiết kiệm 50% nhu cầu oxy và 100% nhu cầu
bổ sung nguồn carbon hữu cơ. Ở quy mô thí nghiệm, hệ thống xử lý kết hợp này đã đạt được
3
hiệu quả chuyển hoá 80% amnonium thành khí nitơ với tải trọng 1,2 kgN/m /ngày [2].

III. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT
Hai dạng hợp chất chủ yếu của nitơ trong nước thải là ammonium và nitrate, dạng
hợp chất ammonium trong nước thải sinh hoạt có thể lên tới 20 – 100 mg/l. Để loại bỏ


một cách có hiệu quả ammonium ra khỏi nước có thể thực hiện bằng phương pháp vật lý,
hoá học hoặc sinh học, nhưng đều dựa trên nguyên tắc cơ bản là chuyển hóa thành các
hợp chất khác ít độc hoặc vô hại đối với môi trường nước hoặc tách loại, cách ly chúng ra
khỏi môi trường nước.

3–6
1,0 – 1,2
> 75
nitrat
thông
dụng
Bùn hoạt tính,
nitrat hóa, khử 200 – 700
1,7
2–4
0,8 – 0,9
> 7,5
từ nitrite
Bùn hoạt tính,
oxy hóa trực
> 200 – 700
0,9
0
< 0,1
> 75
tiếp giữa NH3
và NO2Ao tảo
15 – 30
0,1 – 1,0
6–7
10 – 15
23 – 78
Ao bèo
3–4
< 0,1


→ NO 2− Nitrobacte
 r → NO 3− Khöû

→ N 2

Hay phản ứng: 1,0NH4+ + 1,89O2 + 0,88CO2 → 0,98NO3- + 0,016C5H7O2N + 1,98H+
Như trên thì quá trình nitrate hóa [14] là quá trình tự dưỡng hai giai đoạn (sử dụng CO2
thay cho nguồn C hữu cơ) để chuyển hóa NH4+ thành nitrate trong điều kiện hiếu khí (DO
> 2), trong đó một vài ion NH4+ được tổng hợp trong các mô tế bào. Để oxy hóa 1mg
NH4+ cần 2,32 mg oxy, tiêu thụ hết 7,1 mgCaCO3 và tạo ra 0,1mg tế bào mới. Thực tế
cho thấy quá trình phân hủy các hợp chất chứa nitơ trong trong nước thải theo phản ứng
trên không hiệu quả vì thời gian lưu kéo dài từ 2 đến 10 ngày và rất tốn năng lượng [2,
26].
Phương pháp nitrate hóa không hoàn toàn (nitrite hóa) được gọi là phương pháp
thiếu khí, đây được coi là phương pháp mới phù hợp cho áp dụng nghiên cứu để kết hợp
với quá trình anammox, chuyển hóa một phần NH4+ thành NO2- nhờ vi khuẩn
nitrosomonas (nitrite đóng vai trò chất trung gian), nitrite hình thành sau phản ứng được
sử dụng để oxy hóa trực tiếp ammonium (phản ứng oxy hóa khử). Để giai đoạn này
chiếm ưu thế cần duy trì điều kiện thích nghi thúc đẩy tập đoàn nitrosomonas phát triển,
không tạo điều kiện tích lũy nitrobacter bằng cách giảm gian lưu tế bào ngang bằng thời
gian lưu thủy lực (không hồi lưu bùn) để ngăn cản quá trình oxy hóa nitrite thành nitrate,
tức là tích lũy nồng độ nitrite trong hệ …
Vi khuẩn nitrosomonas có dạng hình cầu hoặc hình bầu dục ngắn, chúng thuộc vi khuẩn
gram (-), không sinh bào tử. Chúng có tiêm mao dài nên chuyển động được. Quá trình
chuyển hóa giải phóng năng lượng, vi khuẩn này sẽ sử dụng năng lượng tạo ra để khử
CO2 tạo ra các hợp chất hữu cơ.
3.2. Cơ chế của quá trình anammox
Chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ thành dạng khí nitơ phân tử, con đường chuyển
hóa này thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua các quá trình liên tiếp nitrate

(90/10)

Ammonium được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng với công nghệ mới
này thì quá trình xử lý đơn giản hơn, ít tiêu tốn năng lượng và rút ngắn thời gian xử lý.
3.3. Quy trình công nghệ kết hợp
Theo cơ chế anammox thì muốn khử ammonium thì môi trường đó phải có một
lượng nitrite tương ứng. Từ yêu cầu trên ta có thể kết hợp quá trình anammox và thiếu
khí nhằm rút ngắn thời gian xử lý nhưng hiệu suất vẫn đảm bảo, đáp ứng yêu cầu ngày
càng cao của công nghệ hiện đại. Để đạt được những yêu cầu này, “phương pháp hồ sinh
học thiếu khí kết hợp quá trình anammox” được thử nghiệm theo quy trình sau:

Nước thải
sau bể
lắng 2

NH4+

Nitrosomonas

NO2-

50%

Anammox
NH4+

50%

Nitơ



Cấy 5000g vi khuẩn nitrosomonas (mật độ 1010-1011 tế bào/gam) vào vùng thiếu khí.

-

Bùn anammox được tích lũy và làm giàu có nồng độ SS = 1000 mg/l.

-

Duy trì DO ở vùng thiếu khí từ 0,5 – 1,0 mg/l và vùng kỵ khí có DO từ 0 – 0,2 mg/l.

-

Nhiệt độ từ 25 – 30 0C

-

pH = 7,2 – 8,4

-

Vận hành liên tục trong suốt 45 ngày (cứ 3 ngày lấy mẫu phân tích các chỉ tiêu một
lần).
Kiểm soát quá trình phân hủy ammonium thành nitrit trong vùng thiếu khí sao cho vừa đủ
lượng nitrit sinh ra tương đương lượng ammonium còn lại trong nước thải trước khi qua
vùng kỵ khí.
IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Để phản ứng anammox xảy ra nhanh và hiệu quả, ở giai đoạn vận hành thích nghi mô
hình cần bổ sung lượng cơ chất nhất định, qua nhiều thí nghiệm tác giả rút ra được các
thông số cụ thể sau: dòng chảy vào chứa các thành phần sau: 12,5 mg/L KHCO3, 6,7

0
0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

42


6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

42

45

Thời gian (ngày)


15

18

21

24

27

30

33

36

39

42

45

Thời gian (ngày)
NH4

NO2

Hiệu suất


lý
NH4 NO2 NH4 NO2
NH4 NO2 NH4 NO2
(%)
(mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l)
(mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l)
2.8

0.0

0

89.3

2.8

89.3

2,000

35.9

3

87.2

5.4

70.2 25.8 19.5 83.1 15.8 69.7 26.5 16.1 2,200


3.2

1.5

94.4 53.4 75.1

2.8

1.4

94.8 8,307

86.1

15

57.1 74.1

3.1

1.6

94.6 52.0 78.0

2.8

1.3

94.6 8,078


2.6

1.4

95.2 8,390

86.7

24

56.6 75.2

3.0

1.6

94.7 52.8 76.3

2.4

1.7

95.5 8,275

85.8

27

57.0 74.3


85.6

33

57.0 74.3

2.9

1.5

94.9 53.0 69.6

2.6

1.7

95.1 8,275

85.8

36

56.1 76.4

2.7

1.7

95.2 52.3 70.9


2.7

1.7

95.3 55.8 70.0

2.5

1.6

95.5 8,751

89.6

45

57.1 74.1

2.8

1.6

95.1 52.1 71.3

2.7

1.7

94.8 8,110


80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

- Xử lý nước thải nói chung cần phải được tính toán, cân nhắc gắn liền các yếu tố kinh
tế và kỹ thuật. Về mặt kinh tế, công trình phải có giá cả hợp lý, thích hợp vốn đầu tư
với hiệu quả của công trình. Tuy nhiên yêu cầu kỹ thuật mới là quan trọng và cần được
quan tâm đúng mức. Trước tiên công trình phải thỏa mãn các yêu cầu đề ra như ổn
định trong hoạt động, vận hành đơn giản, dễ sử dụng, dễ thay thế và sửa chữa, không
gây xáo trộn hay ảnh hưởng đến quy trình công nghệ và đặc biệt chi phí vận hành phải
thấp.
- Qua nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm nhằm xử lý ammonium nồng độ thấp trong
nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học kỵ khí anammox cho thấy: với thời
gian lưu 12h (tương đương 2,0 l/h) hiệu quả xử lý đạt gần 90%.
- Kết quả nghiên cứu này đưa ra nhiều hướng ứng dụng thực tế để xử lý chất dinh dưỡng
trong nước thải sinh hoạt nói riêng cũng như các loại nước thải khác nói chung có hàm
lượng ammonium tương tự.


- Đây là những kết quả nghiên cứu bước đầu, vì vậy cần có kế hoạch nghiên cứu sâu
hơn và triển khai trên với quy mô lớn hơn nhằm khảo sát khả năng thích ứng của công
nghệ, vi khuẩn anammox cũng như phương pháp thực hiện.
- Với những kết quả thực tế đã đạt được, đề nghị các cơ quan, ban ngành chức năng vận
động, hưởng ứng công nghệ tái sử dụng nước thải và loại bỏ chất dinh dưỡng trong
nước sau xử lý, đặc biệt phổ biến rộng rãi tới các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, khu
công nghiệp, khu dân cư, vùng khan hiếm nước ngọt triển khai và áp dụng công nghệ.
VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Huy Bá, (2002): Sinh thái môi trường học ứng dụng, Nhà xuất bản Đại Học
Quốc Gia TP.HCM
2. Lê Văn Cát, (2007): Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ và phốtpho, Nhà xuất bản
khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội.
3. Đỗ Hồng Lan Chi, Lâm Minh Triết, (2004): Vi sinh vật môi trường, Nhà xuất bản
Đại Học Quốc Gia TP.HCM
4. Trần Đức Hạ, (2002): Xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ và vừa, Nhà xuất bản

flow treament with non-woven biomass carrier, Kyoto, Japan.
19. Luiza, (2006): Anammox system for nitrogen removal, KTH Land and Water
Resources Engineering.
20. J. D. Lee, (28/7/2001): Biological nutrient removal. Tech. concept & design.
Workshop on wastewater treatment, Hanoi.
21. J. Lee, (2002): Selective photocatalytic oxidation of NH3 to N2 on platinized
TiO2 in water. Environ. Sci. Technol. Vol. 36, pp. 5462 – 5468.
22. D. K. Lee, (2003) Mechanism and kinetics of the catalytic oxidation of aqueous
amonia to molecular nitrogen. Environ. Sci. Technol. Vol. 37, pp. 5745 – 5749.
23. Pham Khac Lieu, (2006) Nitrogen removal from landfill leachate using a singlestage process combining anammox and partial nitritation, Kumamoto Uni. Japan.
24. Metcalf & Eddy, (1991): Wastewater Engineering (tập 1, 2), Nhà xuất bản
McGraw-Hill.
25. A. Mulder, (2003): The quest for sustainable nitrogen technologies. Wat. Sci.
Technol. Vol. 48, No. 1.
26. Mulder, (1995): Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying
fluidezed bed reator, FEMS Microbiol. Ecol.
27. STANLEY E. MANAHAN, (1994): Environmental Chemistry, Nhà xuất bản
Lewis Publishers