Đồ án Xử lý ammonium trong nước thải chăn nuôi heo bằng phương pháp nitrification và anammox

ù trình sinh tổng hợp tạo tế bào mới và 1 phần thoát nhiệt. Điều kiện tối ưu cho sự phát triển các vi khuẩn nitrat hoá là pH:7,5; DO:0,5mg/l; to:5-40oC. Ammonium được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau, với các quá trình trên thì chỉ xử lý ammonium ở tải trọng trung bình còn với công nghệ mới thì có thể xử lý tải trọng ammonium cao hơn mà đơn giản và ít tiêu tốn năng lượng Hình 3: Sơ đồ chuyển hoá ammonium II.4.2. Phương Pháp Hóa Lý Có thể loại bỏ nitơ bằng phương pháp hóa lý, phương pháp này dựa trên nguyên lý về sự cân bằng của ion ammonium và khí ammoniac trong dung dịch. Đưa độ pH của nước thải lên tới giá trị pH = 11 bằng cách cho thêm vôi vào để chuyển NH4+ thành NH3 trong nước và được loại bỏ bằng chưng cất lôi cuốn hơi nước. Tuy nhiên người ta thường sử dụng phương pháp này để kết hợp loại bỏ photpho. Thực tế ít sử dụng vì vốn đầu tư lớn, tốn năng lượng điện sử dụng để đun nóng, ngoài ra cặn nhạy cảm với nhiệt độ và dễ kết tủa nên không dễ dàng vận hành và bảo trì thiết bị. II.4.3. Phương Pháp Oxy Hoá Kị Khí Ammonium (ANAMMOX) II.4.3.1. Sự phát hiện phản ứng Anammox Thật ra, phản ứng anammox đã được dự báo từ trước khi được phát hiện [22]. Trên cơ sở tính toán nhiệt động học, Broda đã dự báo sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa ammonium bởi nitrat, nitrit và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử NH4+ + NO2- " N2 + 2 H2O G0 = -357 kJ/mol (9) 5 NH4+ + 3 NO3- " 4 N2 + 9 H2O + 2 H+ G0 = -297 kJ/mol (10) NH4+ + 1.5 O2 " NO2- + 2 H+ + H2O G0 = -275 KJ/mol (11) Mãi 17 năm sau đó, bằng chứng thực tế đầu tiên của phản ứng anammox mới được phát hiện ở một bể denitrat hóa xử lý nước lắng của bể phân hủy bùn tại Gist-brocades (Delft, Hà Lan) [28]. Qua theo dõi cân bằng nitơ, các tác giả đã phát hiện thấy sự giảm đồng thời nồng độ ammonium và nồng độ nitrat, nitrit cùng sự tạo thành nitơ phân tử ở điều kiện kỵ khí. Trong một vài năm tiếp theo, nhóm Đại học Kỹ thuật Deft (TU-Deft) đã có các nghiên cứu xác nhận và mô tả ban đầu về anammox được công bố [20], [22], [27]. Theo đó, anammox được xác định có bản chất là quá trình sinh học, ammonium được oxy hóa dưới điều kiện kỵ khí với nitrit là phần nhận điện tử, tạo thành nitơ phân tử. Tiếp theo phát hiện của nhóm TU-Deft, phản ứng anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và xác nhận trên các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà nghiên cứu ở các nơi khác như Đức (Schmid et al., 2000); Nhật (Furukawa et al., 2000); Thụy Sĩ (Egli et al., 2001); Bỉ (Pynaert et al., 2002); Anh (Schmid et al., 2003). [20] Sự phát hiện vi khuẩn Anammox ở các hệ thống xử lý nước thải đã dẫn các nhà khoa học đến sự tìm kiếm trong các hệ sinh thái tự nhiên. Phản ứng anammox đã được chứng minh đóng đến 50% vai trò trong việc tạo khí nitơ trong trầm tích biển Baltic [27], trong vùng nước thiếu khí dưới đáy đại dương ở Costa Rica, [27]. Các vi khuẩn Anammox thuộc một chi mới đã được phát hiện trong vùng nước gần đáy Biển Đen [23]. Trên cơ sở các phát hiện vi khuẩn và phản ứng anammox, chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên có trong sách giáo khoa từ lâu nay đã được bổ sung một mắc xích mới và được viết lại. Hình 4: Chu trình nitơ mới có thêm mắc xích anammox Các nghiên cứu mô tả chi tiết về hóa sinh học, vi sinh học, sinh học phân tử, . . . của anammox tiếp tục phát triển mạnh từ cuối thập niên 1990 đến nay, đã làm rõ nhiều khía cạnh của anammox về mặt hóa sinh học, vi sinh học, sinh học phân tử, …. II.4.3.2. Hóa Sinh Học Của Anammox Phương Trình Phản Ưùng Như đã nói ở trên, phản ứng anammox đã được xác nhận là sự oxy hóa ammonium bởi nitrit, phản ứng hóa học đơn giản với tỉ lệ mol NH4+ : NO3- = 1:1 như ở phương trình (9). Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR), có tính đến sự tăng trưởng sinh khối, phản ứng anammox được xác định với các hệ số tỉ lượng như sau [20] NH4+ + NO2- Anammox N2 + 2 H2O Cụ thể là: NH4+ + 1.32 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.13 H+ " 1.02 N2 + 0.26NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2.03 H2O (12) Trong đó sự tạo thành lượng nhỏ nitrat từ nitrit được giả thiết là để sinh ra các đương lượng khử khi đồng hóa CO2. Phương trình này đã được chấp nhận rộng rãi như là đại diện cho phản ứng anammox khi tính toán, giải thích,. . . Cơ Chế Sinh Hóa Cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng anammox đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn. Cơ chế sinh hóa của anammox được đề nghị như hình dưới đây [22] Hình 5. Cơ chế sinh hóa quá trình anammox NR: enzyme khử nitrit (sản phẩm giả thiết là NH2OH); HH: hydrazine hydrolase, enzyme xúc tác tạo hydrazyne từ amôni và hydroxylamine; HZO: enzyme oxy hóa hydrazine (tương tự enzyme hydroxylamine oxidoreductase tức HAO ở các Nitrosomonas);Cytoplasm:tế bào chất Theo đó, quá trình đi qua sản phẩm trung gian là hydrazine (N2H4). HZO, một enzyme tương tự như HAO trong oxi hóa hiếu khí ammonium, sẽ xúc tác cho sự oxy hóa hydrazine thành nitơ phân tử (G0 = -288 kJ/mol). Các điện tử từ quá trình oxy hóa này (4 e-) sẽ được vận chuyển đến cho sự khử nitrit thành hydroxylamine với một enzyme tạm gọi là NR (G0 = -22.5 kJ/mol). Hydroxylamine tạo ra sẽ phản ứng ngưng tụ với ammonium tạo ra hydrazine mới (xúc tác bởi enzyme HH,), (G0 = -46 kJ/mol). Chu trình xúc tác cứ thế sẽ được lặp lại. Các bằng chứng ban đầu cho thấy phản ứng ngưng tụ ammonium với hydroxylamine và oxy hóa hydrazine xảy ra bên trong một thể gọi là anammoxosome. Anammoxosome nằm trong tế bào chất , bao bọc bởi màng cấu tạo từ lipid ladderane, có thể phân lập được nguyên vẹn từ tế bào anammox [20]. Các đặc điểm, chức năng của anammoxosome vẫn còn đang được tiếp tục nghiên cứu và được coi là một trong các vấn đề thú vị của sinh học tế bào [22]. Hình 6 cho thấy sơ đồ phân khoang của tế bào anammox, với vị trí của anammoxosome. Hình 6: Sơ đồ phân khoang tế bào anammox Cell wall: thành tế bào, Intracytoplasm: màng trong tế bào chất, Cytoplasmic membrane: màng tế bào chất, Nucleoid: thể nhân. Một điểm khá thú vị liên quan đến enzyme đặc trưng HZO của vi khuẩn anammox. HZO được biết có cấu trúc tương tự HAO trong các vi khuẩn Nitrosomonas, tức là chứa các cytochrome c (cyt c) với các haem c và haem hấp thụ mạnh ở 468 nm (tương tự P460 của HAO) [27]. Vì ion trung tâm của các haem này là sắt (FeII và FeIII), nên các vi khuẩn anammox có màu đỏ đặc trưng nếu quần tụ ở mật độ lớn. Việc quan sát sự xuất hiện màu đỏ là một chỉ dấu tốt cho sự phát hiện vi khuẩn anammox. Hình 7: Cơ chế chuyển hoá của anammox II.4.3.3. Vi Sinh Học Của Anammox II.4.3.3.1. Định Danh Và Phân Loại Vi Khuẩn Anammox Đến nay đã có 3 chi của vi khuẩn anammox được phát hiện, gồm Brocadia, Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctoycetales [20],[28] Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương pháp mẻ liên tục (SBR), vi khuẩn được tách bằng kỹ thuật ly tâm gradient tỷ trọng, chiết xuất DNA, rồi tiến hành phân tích trình tự 16S rDNA. Kết quả phân tích trình tự cho thấy vi khuẩn thuộc vào phân nhánh Planctomycete sâu và vi khuẩn đã được đặt tên là Candidatus Brocadia anammoxidans. Brocadia lấy từ tên của nơi đặt trạm xử lý pilot đã phát hiện ra vi khuẩn, Gist-brocades [22]. Planctomycetales được biết là một nhóm các vi khuẩn có nhiều đặc điểm riêng biệt như thành tế bào không chứa peptidoglycan, sinh sản bằng đâm chồi, phân khoang nội bào,. . .[28] Trên cơ sở phân tích 16S rDNA, năm 2000, các vi khuẩn anammox được phát hiện ở hệ thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức) được xác định là mới (độ tương tự dưới 90% so với B. Anammoxidans) và được đặt tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis (Schmid et al.,2000). Sau đó, vi khuẩn anammox được phát hiện ở Thụy Sĩ (Egli et al., 2001):,Bỉ (Pynaert et al., 2002 cũng được xác định chính là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis). [20],[22], Ở PTN thuộc ĐH Kumamoto (Nhật Bản), trong quá trình nuôi cấy liên tục ở điều kiện kỵ khí, tự dưỡng, trên vật liệu bám là một dạng polyester được thiết kế đặc biệt (non-woven), phản ứng anammox và dấu hiệu màu đỏ đặc trưng của vi khuẩn anammox đã được phát hiện [21]. Kết quả phân tích trình tự 16S rDNA trên vi sinh vật tử màng sinh học sau đó đã phát hiện các vi khuẩn anammox chỉ có độ tương tự 92.2% với C.Brocadia anammoxidans và tương tự rất thấp với các nhóm khác đã biết trước đó. Trên cơ sở đó, một dòng anammox mới, ký hiệu là KSU-1 đã được xác lập trong các planctomycetes [21]. Lần đầu tiên, vi khuẩn anammox được phát hiện trong hệ sinh thái tự nhiên là vùng nước nghèo oxy ở Biển Đen. Kết quả phân tích trình tự 16S rDNA cho thấy 87.9% và 87.6% tương tự với các vi khuẩn Kuenenia và Brocadia đã biết, nghĩa là vi khuẩn phát hiện được là một chi khác, và đã được đặt tên là Candidatus Scalindua sorokinii [20] Các loài anammox khác đã được phát hiện tử đĩa quay sinh học nitrat hóa tại một nhà máy xử lý nước thải ở Pitsea ( Anh). Kết quả mô tả và phân tích trình tự 16S RNA cho thấy chúng thuộc cùng chi Scalindua, và đã được đặt tên là Candidatus “Scalindua brodae”, Candidatus “Scalindua wagneri”. Độ tương tự của trình tự 16S rRNA giữa 2 loài là 93% [29]. Một trong các vấn đề là các vi khuẩn anammox sinh trưởng rất chậm (thời gian nhân đôi hơn 3 tuần), nên việc nuôi cấy, phân lập gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, nhờ vào kỹ thuật sinh học phân tử, việc phát hiện trực tiếp trên mẫu sống (in situ) và định danh các vi khuẩn anammox đã được thực hiện thuận lợi. Hàng chục “cực dò” nucleotide (oligonucleotide probes) dùng cho việc phát hiện bằng FISH (fluorescent in situ hybridization) và nhiều đoạn mồi (primers) đặc trưng cho phản ứng PCR khuếch đại gen 16S rDNA của vi khuẩn anammox đã được thiết kế [22], [24] Một vấn đề tồn tại đang được tiếp tục nghiên cứu là mặc dù giữa 3 chi anammox đã biết có chung tổ tiên, nhưng hơi xa nhau về mặt tiến hóa ( độ tương tự nhỏ hơn 85% dựa trên 16S rDNA); trong khi chúng có những tương đồng về mặt tuýp (phenotype): Sinh trưởng với tốc độ chậm như nhau, đều có anammoxosome, lớp màng chứa các lipid ladderance.[28] Hình 8: Cây phát sinh loài của các vi khuẩn anammox quan hệ giữa các chi và dòng có hoạt tính anammox II.4.3.3.2. Một Số Đặc Điểm Sinh Lý Của Vi Khuẩn Anammox Anammox được biết có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 20 đến 430C ( tối ưu ở 400C), pH 6.4 – 8.3 ( tối ưu ở pH 8.0). Ở điều kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 mmol NH4-N/g protein/min. Ái lực với các cơ chất ammonium và Nitrit rất cao (hằng số ái lực dưới 10 mM). Ở nộng độ 100 mM, ammonium và nitrat không ức chế bởi nitrit ở nồng độ trên 20 mM. Khi tiếp xúc với nồng độ nitrit trên 5 mM trong thời gian dài (12h), hoạt tính anammox bị mất hoàn toàn. Tuy nhiên hoạt tính sẽ được hồi phục khi thêm lượng vết (50 mM) một trong các sản phẩm trung gian của phản ứng anammox là hydrazin hay hydrolamin. Hoạt tính anammox bị ức chế hoàn toàn ở nồng độ oxy trên 0.5% bão hoà không khí [20],[22] Thông số Đơn vị Anammox NH4+ +NO2- ® N2 AOB NH+4 + O2 ® NO-2 DG0 kJ/mol -357 -275 Y mol-C/mol-N 0.066 0.08 qmax hiếu khí nmol/min/mg/protein 0 200 – 600 qmax kỵ khí nmol/min/mg/protein 60 2 mmax /h 0.003 0.04 DT ngày 10.6 0.73 Ks (NH4+) mM 5 5 – 2600 Ks (NO2-) mM <5 K.A Ks (O2) mM K.A 10-50 Bảng 6: Một số đặc trưng sinh lý của vi khuẩn và phản ứng anammox Chú thích :DG0 – năng lượng tự do, Y – hiệu suất tạo sinh khối, qmax – hoạt tính cực đại, mmax – tốc độ sinh trưởng cực đại, DT – thời gian nhân đôi, Ks – hệ số ái lực, K.A: không áp dụng. [27] II.4.3.3.3. Các Yếu Tố Kiểm Soát Quá Trình Anammox. Các yếu tố kiểm soát quá trình anammox đã được công bố như sau:[20] Anammox hoạt động ở điều kiện nhiệt độ từ 6 – 43 oC; pH từ 6.7 – 8.3 Ơû điệu kiện tối thích, lượng tiêu thụ ammonium tối đa là 55 µmol NH4/g protein/phút (59.4 mgNH4/g protein/h) Aùi lực giữa ammonium lên tới 1.4 g/l và nitrate khoảng 6.2 g/l cũng chưa làm ức chế quá trình anammox. Nồng độ nitrite cao hơn 0.92 g/l thì quá trình bị ức chế ; ở nồng độ nitrite cao hơn 0.23 g/l trong thời gian dài (khoảng 12 h) thì hoạt tính anammox biến mất. Nhưng có thể hồi phục quá trình bằng cách thêm một lượng nhỏ bất kỳ lượng trung gian nào trong 2 loại hydroxylamin hoặc hydrazine . Quá trình anammox bị ức chế hoàn toàn khi nồng độ oxy cao hơn 0.5%. Các chất khoáng và chất dinh dưỡng cũng làm tăng hoạt tính của anammox. Các chất đó là KHCO3, KH2PO4, FeSO4, EDTA, Na2CO3. ngoài ra còn bổ sung thêm một lượng muối canxi và magine với nồng độ 120 – 180 mg/l. II.4.3.3.4. Sinh học phân tử của vi khuẩn Anammox. [20], [28] Để nghiên cứu về mặt sinh học phân tử của vi khuẩn anammox, người ta dùng phương pháp xác định cấu trúc DNA và RNA. Thí nghiệp được tiến hành dựa trên các mẫu lấy ra từ một hệ thống SBR. Nhận thấy rằng hơn 70% sinh khối trong hệ thống được cấu tạo bởi một loại vi khuẩn có thể dễ dàng nhận ra về mặt hình dáng. Những nỗ lực trong việc phân tích vi sinh vật theo cách truyền thống nhằm xác định cấu trúc phân tử của chúng đề bị thất bại. Sau này, người ta dùng một phương pháp vật lý hiện đại, theo phương pháp này vi khuẩn được phân tích từ hỗn hợp bằng cách ly tâm mẫu. Trình tự DNA của mẫu đem đi xác định rất giống với trình tự cấu trúc di truyền của Planctomycete. Loại vi khuẩn mới được tìm thấy có khả năng oxy hóa được ammonium trong điều kiện yếm khí này được đặt tên là Candidatus Brocadia Anammoxidans. Trình tự DNA đã được xác định như đã nói ở trên sau này được để dò tìm sự có mặt của vi khuẩn này của các bộ (genera) anammox tương tự trong các hệ thống xử lý nước thải. Trong khi đó B.anammoxidans là loại vi khuẩn có liên hệ khá gần với nó, Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis đã được tìm thấy trong nhiều hệ thống trên toàn thế giới và có vẻ như đây là những loại vi khuẩn chính trong cộng đồng vi sinh có mặt trong hệ thống này. Nhóm (order) planctomycete cho đến nay bao gồm 4 bộ (genera) với 7 loài (species) đã được ghi nhận. Rất nhiều trình tự DNA được ghi nhận, thực tế trong thời gian gần đây đã chỉ ra rằng có thể có những loại khác thuộc về nhóm Planctomycete này, một trong những loại đó là vi khuẩn anammox. Trên thực tế cũng một loại vi khuẩn anammox có tên là K.struttgartiensis vừa được tìm thấy lại được cho vào một nhóm riêng biệt, vì theo cấu trúc DNA của nó có sự giống nhau vể mặt di truyền ít hơn 90% so với Brocadia Anammoxidans đã nói ở trên, điều này chứng tỏ sự khác nhau ở mức độ bộ (genera|) giữa 2 loại vi khuẩn này. Các thiết bị trong ngành kỹ thuật phân tử là những công cụ quan trọng để phát hiện sự có mặt và theo dõi các họat động của vi sinh vật trong hệ sinh thái. Ví dụ tốc độ sinh trưởng của nhiều loài vi khuẩn có thể được suy ra từ nồng độ ribosome có trong hệ thống đó. Tuy nhiên phương pháp này không áp dụng được cho những loài vi khuẩn sinh trưởng chậm như Anammox và Nitrosomonas. Trong trường hợp này, nồng độ của rRNA là một chất chỉ thị khá tốt cho các họat động sinh lý của cơ thể. Do đó, đoạn RNA giữa vùng rRNA 16Si và 23 S được chọn để làm chất chỉ thị này (đoạn này được gọi là ISR). Các thí nghiệm với B.anammoxidans chúng tỏ một sự tương quan khá tốt giữa các hoạt động chuyển hóa trong cơ thể và nồng độ ISR, điều này chứng minh được rằng gần đây là một phương pháp tốt để theo dõi và phát hiện các thay đổi trong hoạt động của vi sinh vật. II.4.3.3.5. Mối liên hệ di truyền của Anammox Hình 9: Mối liên hệ di truyền của anammox Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-47)(AF 202655) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-47)(AF 202660) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-48)(AF 202663) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-19)(AF 202661) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-22)(AF 202662) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-14)(AF 202659) Candidatus Brocadia anammoxidans (AJ 131819) Uncultured anoxic sludge bacterium KU-1 (AB 054006), A8 Uncultured planctomycetes KSU-1 (AB057453, this study) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-48)(AF 202656) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla1-44)(AF 202657) Anaerobic ammonium-oxidizing planctomycete GR-WP33-41 (AJ296629) Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis (anoxic biofim clone Pla2-10) (AF 202658) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete KOLL2a (AJ250882) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP33-37 (AJ301578) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP54-11 (AJ296620) Uncultured anoxic sludge bacterium KU-2 (AB054007) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP33-59 (AJ296618) Anaerobic ammonium - oxidizing planctomycete GR-WP33-66 (AJ296619) II.4.4. Phản ứng ghép SHARON – ANAMMOX. II.4.4.1. Quá trình SHARON [27] 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 thời gian lưu đủ ngắn, lúc đó quá trình nitrate hóa ammonium sẽ dừng lại ở sự tạo thành nitrite. Điều kiện thích hợp được nghiên cứu đã được ứng dụng cho nhà máy xử lý nước thải ở Hà Lan có các thông số sau: thời gian lưu từ 1 – 2.5 ngày trong thiết bị SBR, nhiệt độ từ 25 – 30 oC, pH 7 – 8.5 So sánh quá trình SHARON với quá trình khử nitơ thông thường thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate. Nitrate hóa: NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+ NH4+ + 1.5O2 = NO2- + H2O + 2H+ tiết kiệm 25% oxy Denitrate hóa 6NO3- + 5CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 8HCO3- + 6H2 6NO2- + 3CH3OH + 3 CO2 = 3N2 + 6HCO3- + 3H2 Tiết kiệm 40% methanol II.4.4.2. Quá trình CANON. [18] Trong tự nhiên luôn tồn tại nhiều loại vi sinh vật có tính chất và chức năng khác nhau. Thông thường người ta vẫn phân ra hai loại hiếu khí và kỵ khí dựa vào mức độ thích nghi và phát triển của chúng trong điều kiện môi trường có oxy hay không. Trong các công trình xử lý nước thải, các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí đóng vai trò quan trọng trong việc chọn công nghệ và thiết bị xử lý. Theo quan điểm từ trước đến nay, chúng phải được cho vào hai môi trường khác nhau ở hai điều kiện khác nhau trong hai thiết bị phản ứng khác nhau để thực hiện tốt vai trò của mình. Mãi đến những năm gần đây, các nhà công nghệ sinh học đã “nghép đôi” thành công hai loại vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí và điều này là một bước đột phá quan trọng có ý nghĩa rất lớn đến sự phát triển của ngành công nghệ sinh học nói chung và kỹ thuật môi trường nói riêng. Khi cùng tồn tại trong một môi trường như vậy, người ta nhận thấy rằng chúng có thể dùng nước thải giàu ammonium làm thức ăn cho quá trình sinh trưởng và phát triển. Đây là một dữ liệu rất tốt để phát triển một kỹ thuật mới cho việc xử lý nước thải giàu ammonium tiết kiệm và hiệu quả hơn. Khám phá này của các nhà vi sinh vật học ở trường Đại Học DELFT (Hà Lan) được gọi là CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) có nghĩa là quá trình loại bỏ hoàn toàn Nitơ tự dưỡng có sự tham gia của nitrite. Thực tế vi khuẩn trong nước thải có thể tự hoạt động mà không cần phải cung cấp thêm chất dinh dưỡng cho chúng, chỉ cần thêm vào môi trường một ít oxy không khí. Loại vi khuẩn anammox đỏ và một loại nhóm Nitrosomonas theo nghiên cứu của các nhà khoa học nói trên hoạt động chung với nhau khá hiệu quả. Quá trình diễn ra như sau: Vi khuẩn anammox biến nitrite thành nitơ tự do, nó dùng ammonium làm nguồn cung cấp thức ăn; trong khi đó vi khuẩn thuộc họ Nitrosomonas tham gia vào quá trình nitrate hóa mà chủ yến ở giai đoạn chuyển hóa ammonium thành nitrite. Hai loại vi khuẩn này làm việc chung để chuyển hóa ammonium trong nước thải, là một chất độc với các loại thủy sinh như tôm cá, thành khí nitơ tự do được xem như là vô hại vời môi trường. Khi nghiên cứu quá trrình trên, các nhà khoa học đã đưa ra nhận xét rằng những phần tử hiếu khí đã bảo vệ những phần tử kỵ khí. Trong quá trình hoạt động chung như vậy, hai loại vi khuẩn trên đã tạo nên một lớp bông bùn mà bên trong là những phần tử kỵ khí, điều này được chứng minh bằng cách nồng độ oxy đã không phát hiện được bằng đầu dò. Lương oxy được cho vào vừa đủ để oxy hóa hết một nửa lượng ammonium trong thiết bị phản ứng, lượng này sẽ chuyển thành nitrite, lượng ammonium còn lại sẽ tham gia phản ứng vời nitrite sinh ra dưới tac dụng của anammox. Như vậy lượng oxy được tính toán chính xác là điều kiện cần thiết để đạt được cân bằng giữa ammonium và oxy. Nếu cho nhiều oxy sẽ dẫn đến việc oxy hóa các phân tử không mong muốn, các phân tử này sử dụng oxy để chuyển hóa nitrite thành nitrate. Hiện tượng này gây bất lợi cho quá trình xử lý nước vì ô nhiễm ammonium sẽ chuyển thành ô nhiễm nitrate. II.4.4.3. Phản ứng ghép SHARON – ANAMMOX. [22], [27] Đây là một kỹ thuật mới trong việc xử lý ammonium bằng phương pháp sinh học. Việc kết hợp hai quá trình này làm giảm đáng kể tải lượng của nhà máy xử lý nước thải. Quá trình này đã được nghiên cứu thành công cho nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt (nhà vệ sinh) Dokhven – Ha Lan. Nguyên lý Nguyên tắc của quá trình kết hợp là chỉ 50% N-NH4 trong nước cần xử lý bị oxy hóa thành N-NO2. hỗn hợp N-NH4 và N-NO2 là đầu vào lý tưởng cho quá trình Anammox. Đầu ra cuối cùng là N2 và nước. Đầu vào là nước từ hầm phân, to = 35oC, thời gian lưu là 1 ngày, không cần điều chỉnh pH. Kết quả như sau: Kết quả của thí nghiệm phản ứng SHARON. Chi tiêu Nồng độ TNK vào thiết bị S