Đồ án Nghiên cứu xử lý ammonium bằng vi sinh vật nitrosomonas có giáthể

lượng nitơ có trong nước cần xử lý cao hơn nhiều so với lượng nitơ được đồng hoá để tổng hợp vi khuẩn. Các vi khuẩn dị dưỡng và tự dưỡng sử dụng nitrat và đồng hoá chúng thành ammonium. Trong công trình xử lý nước thải, sự đồng hoá Nitơ chịu trách nhiệm loại bỏ Nitơ. Các tế bào thực vật và tế bào tảo thích sử dụng Nitơ ở dạng ammonium. Trong đất, các phân bón có ammonium sẽ được ưa thích hơn là phân bón nitrat. Tế bào sẽ chuyển hoá nitrat hoặc ammonium thành protein và tăng trưởng cho đến khi Nitrơ trở thành yếu tố giới hạn. III.1.2.3. SỰ KHOÁNG HOÁ NITƠ (Ammonification) Sự khoáng hóa Nitơ là sự chuyển hoá các hợp chất Nitơ hữu cơ thành các dạng vô cơ. Qúa trình này được thực hiện bởi rất nhiều loại vi sinh vật (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm). Trong đất, một số hợp chất nitơ hữu cơ bền vững đối với phân huỷ sinh học, bởi vì chúng là phức hợp với phênol và/ hoặc polyphenol. Đó là sự biến đổi từ nitơ của hợp chất hữu cơ thành nitơ của muối ammonium. Đa số các trường hợp khi cho nước lưu trong công trình một thời gian nhất định, thì phần lớn nitơ của hợp chất hữu cơ đều được ammonium hoá. III.1.2.4. QUÁ TRÌNH NITRAT HOÁ ( Nitrification) Quá trình nitrat hoá có thể xảy ra nếu như nitơ tồn tại dưới dạng nitơ của muối ammonium. Tốc độ biến đổi từ muối ammonium thành nitrat đối với bùn hoạt tính như sau: cứ 3mg N - NH4 trong thời gian 1 giờ thì nitrat hoá được 1g hữu cơ. Độ tăng trưởng của vi sinh dị dưỡng có ý nghĩa tới việc oxy hoá các chất ô nhiễm cacbon, nó cao hơn so với độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng. Do vậy, độ tuổi của bùn trong hệ thống có tác dụng nhất định đối với quá trình nitrat hoá. Với pH nằm trong khoảng 7,2 – 8,0 độ tuổi nhỏ nhất của bùn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nitrat hoá ở nhiệt độ 12oC hoặc 13oC chỉ thích hợp với các bể có lưu lượng nước nhỏ, ở nhiệt độ dưới 8oC, khó tiến hành nitrat hoá. Tuy nhiên nếu các vi sinh vật nitrat hoá phát triển từ trước và được nuôi cấy ở nhiệt độ bình thường thì giải pháp nitrat hoá có thể duy trì ở nhiệt độ thấp, nhưng lúc đó hiệu suất oxy hoá của muối ammonium sẽ giảm. Vi khuẩn nitrit Khi khử ammonium (NH4+) bằng phương pháp sinh học, NH4+ bị oxi hóa theo hai bước: Bước 1: NH4+ bị oxi hoá thành NO2- do tác động của vi khuẩn nitrit theo phản ứng: NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O Bước 2: Oxy hoá NO2- thành NO3- do tác động của vi khuẩn nitrat theo phản ứng NO2- + 0,5O2 NO3- Vi khuẩn nitrat Tổng hợp quá trình chuyển hoá NH4+ thành NO3-: NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O Có khoảng 20% - 40% NH4+ bị đồng hoá thành sinh khối tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể viết như sau: 4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5O2 C5H7O2N : công thức tổng quát của sinh khối tế bào. Có thể tổng hợp quá trình nitrat hoá bằng phản ứng sau: NH4+ + 1,962HCO3- + 1,731O2 0,038 C5H7O2N + 0,96NO3- + 1,077H2O + 1,769H2CO3 Từ phương trình trên rút ra: khi chuyển hoá 1mg NH4+ cần tiêu thụ 3,97 mg O2 và sản sinh ra 0,31mg tế bào mới; 7,01mg kiềm bị khử và cần tiêu thụ 0,16mg CO2. Vi khuẩn nitrat hoá đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi môi trường và với các chất độc hại. Sự oxy hoá ammonium thành nitrit và sau đó thành nitrat là quá trình sinh năng lượng. Vi sinh vật dùng năng lượng này để đồng hoá CO2. Nguồn cacbon cần cho vi khuẩn nitrat hoá là CO2, HCO3, CO32-. Sự hiện diện của oxy và lượng kiềm là để trung hoà ion H+ trong quá trình oxy hoá sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hoá. Về mặt lý thuyết, vi khuẩn cần lượng oxi là 4,6mgO2/1mg N – NH4+ để oxi hoá ammonium đến nitrat Mặc dù chúng là hiếu khí bắt buộc, ái lực đối với oxy của chúng vẫn thấp hơn vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí, pH tối ưu để cho tăng trưởng của Nitrobacter trong khoảng 7,2 – 7,8. Sự tạo thành axit của quá trình nitrat hoá có thể gây vấn đề cho khả năng đệm kém của nước thải. Mặc dù các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hoá có rất nhiều trong tự nhiên, sự nitrat hoá cũng có thể thực hiện được bởi vi khuẩn dị dưỡng (như Anthrobacter) và nấm (như Aspergillus). Những vi sinh này sử dụng nguồn cacbon hữu cơ và oxy hoá ammonium đến nitrat. Tuy nhiên, sự nitrat hoá dị dưỡng thì chậm hơn nhiều so với nitrat hoá tự dưỡng. III.1.2.4.1. VI SINH VẬT CỦA QUÁ TRÌNH NITRAT HOÁ. Sự nitrat hoá là sự chuyển hoá ammonium thành nitrat bởi hoạt động của vi sinh vật. Quá trình này được thực hiện bởi 2 loại vi sinh vật: Chuyển hoá ammonium thành nitrit: Nitrosomonas (N.europasa, N.oligocarbogenes) oxy hoá ammonium thành nitrit thông qua hydroxylamin NH2OH. Một số vi sinh vật khác oxy hoá NH4 là Nitrosopira, Nitrosococcus, và Nitrosolobus. 2NH + O2 = 2NH2OH + 2H+ [13] NH4+ + 1,5 O2 = NO2- + H2O + 2H+ + 275KJ/ [13} Vi khuẩn nitrit hoá Nitrosomonas là vi khuẩn tự dưỡng hoá năng, có hình cầu hoặc hình bầu dục ngắn. Chúng thuộc loại vi khuẩn gram âm (-), không sinh bào tử. Chúng có tiêm mao dài nên chuyển động được. Vi khuẩn Nitrosomonas phát triển thích hợp nhất ở pH từ 6,0 – 9,0, và ở nhiệt độ 20 – 30 oC. Vi khuẩn Nitrosomonas europaea là một vi khuẩn sống nhờ khí ammoniac vì nó sử dụng ammoniac như là nguồn dự trữ cho cuộc sống và sự phát triển của chúng. Năng lương tạo ra những lớp màng (dài, với những ống nhỏ bên trong tế bào) sử dụng các electron từ nguyên tử nito của khí ammoniac để tạo ra năng lượng. Ơû hình trên là quá trình di chuyển của các electron được quan sát dưới kính hiển vi, ở đây chúng ta có thể thấy được một trong những tế bào của con vi khuẩn. vùng trong suốt , gần trên đầu hình phía bên trái là vùng giao tiếp của một trong số các con vi khuẩn. Những đường tối xoay quanh phía bên trong tế bào chính là năng lượng tạo ra các màng hấp thụ khí ammoniac. Tế bào phía bên phải khá đen hơn nhiều, vì vậy nhìn nó thấy tối và ít thấy rõ được cấu trúc bên trong. Vi khuẩn Nitrosomonas europaea có thể hấp thụ khí cacbon cần thiết cho sự phát triển bằng cách lấy chúng từ môi trường trong một chu trình xử lý gọi là “ sự ngưng tụ cacbon”. Vi khuẩn này chứa “carboxysomes”( là những chấm tối có thể thấy lác dác trong tế bào) có chứa các enzim sử dụng để chuyển cacbon dioxit cho cacbon tế bào. Bạn có thể nhớ lại rằng cây cũng có thể chuyển hóa cacbon, chúng có thể chuyển cacbon dioxit thành đường, sử dụng năng lượng từ sự quang hợp, và vi khuẩn Nitrosomonas này cũng có thể chuyển hóa cacbon, nhưng thay vì hô hấp để tạo ra năng lượng, nó lại sử dụng năng lượng từ việc đốt cháy khí ammoniac với oxy. Vi khuẩn Nitrosomonas này phải hấp thụ số lượng lớn khí ammoniac trước khi chúng phân chia, và việc phân chia tế bào sẽ tốn một số ngày. Vi khuẩn này không thích phơi dưới ánh sáng , vì vậy nó sẽ phủ lên mình chất nhờn và chuyển hóa thành dạng đất. Nitrosospira : vi khuẩn Nitrosospira có tế bào hình xoắn. Vi khuẩn Nitrosospira thuộc loại vi khuẩn gram âm. Vi khuẩn Nitrosospira có thể di động được hoặc không di động được, chu mao. Vi khuẩn Nitrosospira thuộc loại vi khuẩn tự dưỡng hóa năng bắt buộc, hiếu khí bắt buộc, nhiệt độ thích hợp để vi khuẩn Nitrosospira phát triển được là 15 – 30oC, pH thích hợp là 6.5 – 8.5. Vi khuẩn Nitrosospira phát triển ở nước ngọt, nó không cần sử dụng các chất sinh trưởng hữu cơ. Nitrosococcus : vi khuẩn Nitrosococcus có tế bào hình cầu. Vi khuẩn Nitrosococcus thuộc loại vi khuẩn gram âm, di động hoặc không di động. Vi khuẩn Nitrosococcus có thể đứng riêng rẽ, thành đôi hoặc thành bốn tế bào. Vi khuẩn Nitrosococcus là vi khuẩn tự dưỡng hóa năng bắt buộc. Vi khuẩn Nitrosococcus có thể phát triển ở nước ngọt hay ở nước mặn giàu amon và muối vô cơ, vi khuẩn Nitrosococcus không cần sử dụng các chất sinh trưởng hữu cơ. Nhiệt độ thích hợp cho vi khuẩn Nitrosococcus phát triển tốt là 2 – 30oC, pH thích hợp là 6.0 – 8.0. Nitrosolobus : vi khuẩn Nitrosolobus có tế bào đa hình thái, có khi có thùy, phân cắt theo phương pháp co thắt lại. Vi khuẩn Nitrosolobus là nhóm vi khuẩn gram âm, di động, chu mao, tế bào của vi khuẩn Nitrosolobus bị ngăn cách ra do sự lõm vào của màng nguyên sinh chất. Vi khuẩn Nitrosolobus là vi khuẩn tự dưỡng hóa năng bắt buộc, hiếu khí bắt buộc, không cần chất sinh trưởng hữu cơ. Nhiệt độ thích hợp nhất để vi khuẩn Nitrosolobus phát triển được là 15 – 30oC, pH thích hợp là 6.0 – 8.2. Lượng chứa G+X trong AND là vào khoảng 53.6 - 55.1% phân tử Chuyển hoá nitrit thành nitrat: gồm các NOB (vi khuẩn oxy hoá nitrit) Nitrobacter (N.agilis, N.winogradski), và một số chi khác như Nitrococcus, và Nitrospira được phát hiện thêm sau này (Suwa et al., 1994; Schramm et al., 1998;). NO2- + 5O2 = NO3- + 75KJ. Nitrobacter : tế bào hình que ngắn thường có hình cái nêm hay hình quả lê. Vi khuẩn Nitrobacter sinh sản theo kiểu nẩy chồi. Vi khuẩn Nitrobacter thường không di động. Vi khuẩn Nitrobacter là vi khuẩn Gram âm. Một số tự dưỡng hóa năng bắt buộc, một số có thể dị dưỡng, hiếu khí bắt buộc. Giới hạn nhiệt độ phát triển được là 5 – 40oC, pH thích hợp là 6.5 – 8.5. Nitrospina : tế bào hình que thẳng, mảnh dẻ, có thể có hình cầu. Gram âm, không di động. Tự dưỡng hóa năng bắt buộc. Không đòi hỏi các chất kích thích sinh trưởng hữu cơ. Hiếu khí bắt buộc. Giới hạn nhiệt độ phát triển được là 20 – 30oC, pH thích hợp là 7.0 – 8.0. Nitrococcus : tế bào hình cầu, kích thước khoảng 1.5 µm. gram âm .di động nhờ 1 hoặc 2 tiên mao ở chỗ gần tận cùng. Tự dưỡng hóa năng bắt buộc. Không đòi hỏi các chất sinh trưởng hữu cơ. Giới hạn nhiệt độ phát triển được là 15 – 30oC, pH thích hợp là 6.8 – 8.0. Lượng chứa G+X trong AND là vào khoảng 61.2% phân tử. Giữa các AOB và NOB có những khác biệt về điều kiện tăng trưởng, cho phép điều khiển chọn lọc sự cạnh tranh ưu thế của chúng. Ví dụ, tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của AOB nhỏ hơn của NOB ở nhiệt độ thấp (0.xx so với 0.xxx), nhưng do hệ số nhiệt Van’t Hoff lớn hơn, nên ở nhiệt độ cao (trên 28oC), AOB có ái lực oxy thấp hơn các NOB (0.63 mg O2/L so với 1.32mg O2/L) nên ở điều kiện oxy hạn chế, AOB sẽ chiếm ưu thế (Jayamohan et al., 1988). III.1.2.4.2. CÁC YẾU TỐ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH NITRAT HOÁ Có một số yếu tố kiểm soát quá trình nitrat hoá trong các công trình xử lý nước thải. Đó là nồng độ amôn/nitrit, nồng độ oxy, pH, nhiệt độ, tỷ số BOD5/TKN, và sự hiện diện của các hoá chất độc hại. Nồng độ NH4+/ NO Sự tăng trưởng của Nitrosomonas nà Nitrobacter tuân theo động học của Monod và phụ thuộc vào nồng độ của ammonium và nitrat. Nồng độ oxy Nồng độ oxy là một trong những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát quá trình nitrat hoá. Hằng số bán bão hoà của oxy ( Ko) là 1,3 mg/l. Để tiến hành quá trình nitrat hoá oxy phải được phân phối tốt trong bể bùn hoạt tính hiếu khí và nồng độ oxy hoà tan không nên dưới 2 mg/l. Để oxy hoá 1 mg NH4+ cần 4,6 mg O2. NH3 + O2 NO3- + H+ + H2O Nhiệt độ Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrat hoá bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ thích hợp trong khoảng 8 – 300C. pH pH tối ưu cho Nitrosomonas và Nitrobacter nằm trong khoảng 7,5 – 8,5. Quá trình nitrat hoá ngừng lại ở pH thấp hơn 6. Độ kiềm bị phá vỡ là kết quả của sự oxy hoá amôn bởi vi khuẩn nitrat hóa. Về mặt lý thuyết, quá trình nitrat hoá phá huỷ độ kiềm ( tính bằng CaCO3) với số lượng là 7,14 mg/1mg của N-NH4 bị oxy hoá. Do đó, cần phải có lượng kiềm vừa đủ trong nước thải để cân bằng với acid sinh ra trong quá trình nitrat hóa, pH giảm do kết quả của quá trình nitrat hóa có thể giảm thiểu bằng cách khuấy trộn nước thải để loại bỏ CO2. Đôi khi người ta thêm vôi vào để làm tăng độ kiềm trong nước thải. Tỷ số BOD5/TNK Một phần vi sinh vật nitrat hoá bị giảm khi tỷ số BOD5/TNK tăng. Trong quá trình nitrat hoá kết hợp oxy hoá cacbon, tỷ số này lớn hơn 5, trong quá trình nitrat hoá riêng biệt, tỷ số này nhỏ hơn 3. Sự ức chế của các hợp chất độc hại Quá trình nitrat hoá khá nhạy cảm với một vài hợp chất độc có trong nước thải. Người ta thấy rằng những chất này độc đối với Nitrosomonas hơn là đối với Nitrobacter. Các hợp chất hữu cơ trong nước thải không gây độc trực tiếp cho các vi khuẩn nitrat hoá. Sự ức chế của các hợp chất của các hợp chất hữu cơ có thể là gián tiếp và có thể là do sự suy giảm oxy do các vi khuẩn dị dưỡng. Các hợp chất gây độc nhất cho vi khuẩn nitrat hoá là Cyanide, Thiourea, Phenol, Aniline, và các kim loại nặng (Ag, Hg, Ni, Cr, Cu, Zn). Ảnh hưởng của Cu đối với Nitrosomonas euerurropea tăng khi cơ chất (NH4+) tăng từ 3 mg/l đến 23 mg/l Bảng 2 : Các điều kiện tối ưu cho quá trình nitrat hoá Điều kiện Thông số thiết kế Khoảng pH cho phép (95% nitrat hoá) 7.2 – 8.4 Nhiệt độ cho phép (95% nitrat hoá). 0C 15 – 35 Nhiệt độ tối ưu, 0C ( ước tính) 30 Oxy hoà tan ở lưu lượng tối đa, mg/l >1 MLVSS, mg/l 1200 – 2500 Kim loại nặng ức chế quá trình nitrat hoá ( Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr) < 5 mg/l Các chất độc hữu cơ ức chế quá trình nitrat hoá Các hợp chất phenol có halogen Các dung môi halogen Phenol và cresol Cyyanide và tất cả những hợp chất giải phóng acid hydrrocyanide 0 mg/l 0 mg/l < 20mg/l < 20mg/l Nhu cầu oxy (tính đẳng lượng, 1b O2/1b N-NH3, cộng với nhu cầu oxy carbonaceous – oxy hoá các chất hữu cơ do vi sinh vật heterotrophic) 4.6 III.1.2.4.3. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA Tốc độ tăng trưởng của Nitrobacter cao hơn Nitromonas. Do đó, giai đoạn tốc độ giới hạn trong quá trình nitrate hóa là sự chuyển hóa amôn thành nitrite bởi Nitrosomonas Phương trình sau đây mô tả sự tăng trưởng theo Monod Trong đó : Tốc độ tăng trưởng, riêng (ngày -1) Tốc độ tăng trưởng cực đại (ngày -1) N=[NH4+]:nồng độ NH4+, mg/l KN :hằng số bán bão hòa của NH4+,mg/l [DO] : nồng độ oxy hòa tan, mg/l Ko :hằng số bán tốc độ của oxy , mg/l Ko được ước lượng 0.15 – 2 mg/l phụ thuộc vào nhiệt độ . Vi khuẩn nitrate hóa (0.006 – 0.035 h-1) thấp hơn nhiều so với µmax của môi trường hỗn hợp của các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng cơ chất là glucose (0.18 – 0.38 h-1). Sản lượng tế bào của vi khuẩn nitrate hóa cũng thấp hơn vi khuẩn dị dưỡng. Sản lượng tối đa Nitrosomonas là 0.29, của Nitrobacter thấp hơn nhiều khoảng 0.08. tuy nhiên, các số liệu thí nghiệm thấp hơn nhiều, thay đổi từ 0.04 – 0.13 đối với Nitrosomonas và 0.02 – 0.07 đối với Nitrobacter. Do đó, trong môi trường nitrate hóa, Nitrosomonas hiện diện với số lượng lớn hơn nhiều so với Nitrobacter. Quá trình nitrate hóa thích hợp với nước thải đầu ra của các công trình xử lý sinh học có BOD thấp và nồng độ ammonium cao. Quá trình tăng trưởng hiếu khí lơ lửng là thích hợp nhất cho sự nitrate hóa nước thải đầu ra. Sự nitrate hóa xẩy ra trong bể hiếu khí( thời gian lưu nước là h) và bùn chứa lượng lớn vi khuẩn nitrate hóa được tuần hoàn để duy trì hoạt tính nitrate hóa cao. III.1.2.5. QUÁ TRÌNH KHỬ NITRÁT Quá trình nitrat hoá mang nhu cầu oxy cho nguồn tiếp nhận nước. Do đó nitrat phải được loại bỏ trước khi chúng được thải vào nguồn tiếp nhận, đặc biệt đối với các nguồn cấp nước uống. Hai cơ chế quan trọng nhất của sự khử nitrat sinh học là khử nitrat đồng hoá và dị hoá. III.1.2.5.1. KHỬ NITRAT ĐỒNG HOÁ. Bằng cơ chế này nitrat được chuyển thành nitrit và NH4+ do vi sinh vật và thực vật. Chúng bao gồm một vài enzyme chuyển NO3- thành NH3, mà sau đó tạo thành các protein và acid nucleic. Khử nitrat được thực hiện bởi rất nhiều enzyme khử nitrat đồng hoá, mà hoạt tính của chúng không bị ảnh hưởng bởi oxy. Một số vi sinh vật như: Pseudomonas aeruginosa có cả enzyme khử nitrat đồng hoá và enzyme khử nitrat dị hoá mà chúng rất nhạy cảm với oxy. Hai enzyme được mã hoá bởi 2 gen khác nhau. III.1.2.5.2. KHỬ NITRAT DỊ HOÁ (denitrification) Đây là quá trình hô hấp kỵ khí mà NO3- là chất nhận điện tử. NO3- được khử đến N2O oxide nitơ và N2 – nitơ khí, sự giải phóng N2 là sản phẩm ưu thế của quá trình khử nitrat dị hoá. Tuy nhiên, nitơ hoà tan ít trong nước, do đó chúng có khuynh hướng thoát ra như bong bóng nổi lên. Những bong bóng này có thể ngăn chặn sự lắng của bùn trong các bể lắng. Các vi sinh vật liên quan trong quá trình khử nitrat dị hoá là các vi sinh vật tự dưỡng hoặc dị dưỡng hiếu khí mà chúng có thể chuyển sang tăng trưởng kỵ khí khi nitrat được dùng làm chất nhận điện tử. Khử nitrat di hoá được thực hiện theo trình tự sau đây: nitrat reductase nitrat reductase nitric oxid reductase NO3- NO2- NO N2O N2 Các vi khuẩn khử nitrat có thể là quang dưỡng, hoặc hoá dưỡng vô cơ hoặc hoá dưỡng hữu cơ và có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau (hợp chất vô/hữu cơ hoặc ánh sáng). III.1.2.5.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH KHỬ NITRATE Loại và nồng độ chất hữu cơ chứa cacbon. Chất hữu cơ hoà tan, phân huỷ sinh học nhanh thúc đẩy tốc độ khử nitrate nhanh nhất. Mặc dù methalnol được sử dụng phổ biến, nhưng Monteith và công sự (1980) tìm thấy 22-30 loại nước thải công nghiệp như chất thải bia và cồn rượu thúc đẩy tốc độ khử nitrate nhanh hơn methane. Oxy hoà tan (DO). Quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên sự hiện diện của DO ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quá trình vì sự hiện diện của oxy ức chế các enzym khử nitrite, làm chậm tốc độ khử nitrite. Oxy ức chế các enzym khử nitrite mạnh hơn các enzym khử nitrate, nhưng quá trình vẫn có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí như trường hợp của mương oxy hoá khử nitơ. Theo các nghiên cứu của Skerman và MacRae (1957), Terai và Mori (1975) cho biết loài Pseudomonas bị ức chế ở DO ≥ 0.2 mg/l. Nelson và Knowles (1978) cho thấy tốc độ khử nitrate bị dừng khi DO = 0.13 mg/l. Wheatland et.al (1959) cho thấy tốc độ khử nitrate ở DO = 0.2 mg/l chỉ bằng một nửa tốc độ khử nitrate ở DO = 0 mg/l. DO tăng lên 2mg/l thì tốc độ khử nitrate chỉ bằng 10% ở DO = 0 mg/l. Độ kiềm và pH. Quá trình khử nitrate hoá sinh ra độ kiềm, acid carbonic chuyển thành bicarbonate. Độ kiềm tạo ra trong phản ứng khử nitrate làm tăng pH, thay vì bị giảm trong phản ứng nitrate hoá. Trái ngược với vi khuẩn nitrate hoá, người ta ít quan tâm đến ảnh hưởng pH lên tốc độ khử nitrate. Một số nghiên cứu xác định pH tối ưu cho quá trình nằm giữa 7-8, cụ thể còn tuỳ thuộc vào loài vi khuẩn hiện diện và đặc tính nước thải. Theo nghiên cứu của Dawson và Murphy (1972) cho biết tốc độ khử nitrate ở pH = 6 đến 8 bằng một nửa ở pH = 7 cho cùng một mẻ nuôi cấy. Numik (1956), Wiljer và Delwiche (1954), Bremmer và Shaw (1958) cho thấy tốc độ khử nitrate giảm tuyến tính. Điều kiện pH trung hoà, sự chuyển đổi khí nitrous thành khí nitơ chiếm ưu thế. Nhiệt độ. Nhiệt độ ảnh hưởng lên cả tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn và tốc độ khử nitrate. Vi khuẩn khử nitrate phát triển ở nhiệt độ từ 5-25oC. Trong khoảng nhiệt độ này, tốc độ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10 lần. Thời gian lưu bùn (SRT: Solid Retention Time). Lượng nitrate sẽ được khử trong quá trình ứng với lượng chất hữu cơ đã cho phụ thuộc vào thời gian lưu bùn. Thời gian lưu bùn lâu hơn, chất cho electron (chất hữu cơ) sẽ đi đến chất nhận electron (nitrate) nhiều hơn là đi vào sinh khối, lượng nitrate sẽ bị khử nhiều hơn. III.1.3. AMMONIUM Sự tương tác của phân tử NH3 với nước không những tạo thành những hidrat của amoniac, mà còn tạo thành một phần ion NH4+. Kết quả là nồng độ của ion OH- trong dung dịch loãng tăng lên. Chính vì vậy mà dung dịch nước của amoniac có phản ứng kiềm. Tuy nhiên theo truyền thống đã quy định thì dung dịch nước của amoniac thường được biểu diễn bằng công thức NH4OH. NH4OH. là bazơ yếu, ở 18oC hằng số cân bằng ion hoá là 1,8.10-5 và pH = 11,77. Trong một lít dung dịch, một mol NH4OH. chỉ chứa 0,0042 đương lượng các ion OH- và NH4+. Đa số các muối ammonium không màu dễ tan trong nước. Chúng tương tự với muối kim loại kiềm, đặc biệt kali (các ion K+ và ion NH4+ có kích thước gần bằng nhau và giống nhau về một số tính chất). Vì dung dịch nước của amoniac là bazơ yếu, nên muối ammonium bị thuỷ phân trong dung dịch. Dung dịch của muối tạo bởi amoniac và acid mạnh có phản ứng acid yếu. Sự thuỷ phân của ion NH4+ thường được viết dưới dạng như sau: NH4+ + H2O ↔ NH4OH. + H+ Tuy nhiên, đúng hơn phải coi nó như là sự chuyển proton ngược lại từ ion NH4+ đến phân tử nước. NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ Khi thêm kiềm vào dung dịch nước của một muối amoni vào đó thì ion H3O+ sẽ liên kết với ion OH- thành phân tử nước và cân bằng thuỷ phân bị dịch chuyển sang bên phải. Khi đó quá trình xảy ra có thể biểu diễn bằng phương trình: NH4+ + OH- ↔ 2NH3 + H3O+ Khi đun nóng dung dịch thì ta nhận thấy có mùi của khí NH3 thoát ra. Như vậy, ta có thể phát hiện được muối ammonium bất kỳ trong dung dịch, khi đun dung dịch với kiềm mạnh. III.1.4 NITRIT VÀ NITRAT Ion NO2- và ion NO3- là muối của các acid kém bề như HNO2 và HNO3. Acid HNO3 không bền lắm. Nó phân huỷ dần ngay dưới ảnh hưởng của ánh sáng: 4 HNO3 = 4 NO2 ↑ + O2↑ + 2H2O Acid HNO3 thuộc số các acid mạnh nhất, trong dung dịch loãng nó phân ly hoàn toàn thành các ion H+ và ion NO3-. Trong khi đó acid HNO2 thuộc số các acid yếu, và chỉ tồn tại trong dung dịch nước rất loãng. Khi làm đậm đặc dung dịch hoặc khi đun nóng nó thì acid HNO2 bị phân huỷ: HNO2 = NO2↑ + NO↑ + H2O Cho nên các ion NO2- dễ bị phân huỷ khi dung dịch có môi trường acid. Đó cũng là điều cần lưu ý khi xác định hàm lượng ion NO2-. Cần thận trọng khi acid hoá dung dịch, vì khi đó nó sẽ làm giảm bớt hàm lượng ion NO2- dẫn đến kết quả phân tích kém chính xác. Trong môi trường kiềm, ion NO2- và ion NO3- đều bị khử thành NH3 bằng Al, Zn: NO3- + 4Zn + 7 OH- ↔ NH3 + 4ZnO22- + 2H2O NO2- + 3Zn + 5 OH- ↔ NH3 + 3ZnO22- + H2O III.1.5 QUÁ TRÌNH SHARON Quá trình SHARON được ứng dụng trong các hệ thống khử nitơ cho nước thải từ các nhà vệ sinh và những nguồn nước thải có hàm lượng ammonium cao. SHARON (Single reator for High Activity Ammonium Removal Over Nitrite) là thiết bị phản ứng đơn dùng cho việc khử ammonium có hoạt tính cao thông qua nitrite. Quá trình SHARON được thực hiện trong một thiết bị phản ứng đơn giản, nhằm loại bỏ ammonium thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate. Cụ thể là biến ammonium thành nitrite sau đó khử nitrite thành khí nitơ. Điều này tiết kiệm được lượng cacbon hữu cơ và năng lượng đáng kể. NH4+ + 1.5 O2 = NO2- + H2O + 2H+ Sự oxy hóa NH4+ dừng lại ở NO2- bằng cách tạo ra điều kiện thích hợp cho vi khuẩn nitrate hóa hoạt động. Sự oxy hóa nitrite có thể được ngăn chặn khi tăng nhiệt độ. Vi khuẩn Nitrosomonas là loại vi khuẩn oxy hóa ammonium thành nitrite, phát triển với tốc độ cao hơn vi khuẩn Nitrobacter là loại tham gia trong quá trình oxy hóa nitrite thành nitrate. Điều này được sử dụng trong thiết kế hệ thống SHARON. Bằng cách chọn thờ