Khóa luận Nghiên cứu xử lý amoni bằng phương pháp sinh học sử dụng các vi khuẩn tự dưỡng

h của AOB. 1.3.2.3. Sinh thái học của quá trình Sharon Hunik (1993) cho rằng các vi khuẩn oxi hóa amoni sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxi hóa nitrit ở nhiệt độ được cao hơn 15oC. Ở nhiệt độ tiến hành thí nghiệm là 35oC, tốc độ sinh trưởng tối đa đặc trưng của vi khuẩn oxi hóa nitrit chỉ xấp xỉ bằng một nửa tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn oxi hóa amoni. Chỉ ở những nhiệt độ trên 25oC các vi khuẩn oxi hóa amoni mới có khả năng cạnh tranh hiệu quả so với các vi khuẩn oxi hóa nitrit. Và khi ở nhiệt độ >20oC vi khuẩn oxi hóa amoni có tuổi bùn yêu cầu tối thiểu là ngắn hơn [24]. Quá trình oxi hóa amoni là một quá trình mang tính axit, vì vậy việc điều khiển pH là quan trọng để ngăn chặn sự ức chế quá trình. Các vi khuẩn oxi hóa nitrit đặc biệt dễ bị ảnh hưởng do sự thay đổi pH. Trạng thái cân bằng giữa nồng độ của NH3 và NH4+ phụ thuộc vào pH. Khi pH giảm xuống dưới 6,5, quá trình oxi hóa amoni sẽ không xảy ra nữa, vì pH giảm quá thấp thì nồng độ amoni tự do trở nên thấp, không đủ cho sự sinh trưởng của các vi khuẩn oxi hóa amoni. Vi khuẩn oxi hóa nitrit bị ức chế hoàn toàn bởi 1g NH2OH m-3 còn amoni tự do bắt đầu ức chế nitrosomonas trong khoảng nồng độ từ 10-150g NH3 m-3. Vì vậy các vi khuẩn oxi hóa nitrit sẽ sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxi hóa amoni ở giá trị pH thấp, còn ở pH cao là ngược lại. Điều đó cũng có nghĩa là pH cao được ưu tiên trong việc tạo ra một dòng ra với nồng độ amoni thấp. Ở pH trên 8 quá trình nitrat hoá cũng suy giảm. Đó là do có quá nhiều NH3 sẽ gây độc đối với các vi khuẩn oxi hóa nitrit. Tỉ lệ amoni/nitrit trong dòng ra của quá trình Sharon có thể dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi pH phản ứng giữa 6,5 và 7,5. Ví dụ với nước bùn tỉ lệ HCO3- : NH4+ là 1,1 : 1, do vậy khoảng một nửa amoni có thể được chuyển mà không có bất kỳ sự điều khiển pH nào. Điều này làm suy giảm tính kiềm của nước đồng thời dẫn đến sự suy giảm pH và ngăn chặn quá trình nitrat hóa [24]. Amoni được chuyển thành nitrit nhờ AOB. Sau đó, nitrit được chuyển thành nitrat nhờ NOB. AOB có khả năng sử dụng amoni như là một nguồn năng lượng duy nhất và CO2 là nguồn cacbon chính. Đây là nguyên nhân gây ra giai đoạn giới hạn tốc độ của quá trình nitrat hóa. Thông thường AOB là vi sinh vật ưa khí bắt buộc. Nhưng có vài loại đặc biệt là chúng có thể thích nghi lớn được với điều kiện oxi thấp hoặc môi trường yếm khí. AOB được chia thành các loại khác nhau dựa trên hình thái học tế bào như Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrosospira, Nitrosovibrio và Nitrosolobus. Vi khuẩn nitrat (vi khuẩn oxi hóa amoni và nitrit hiếu khí) thuộc vào nhóm rất hạn chế của các sinh vật tự dưỡng. Nitrosomonas và Nitrosospira được biết đến là những vi khuẩn oxi hóa amoni tốt nhất. Trong khi Nitrobacter và Nitrospira được biết đến là những vi khuẩn oxi hóa nitrit tốt nhất. Enli et al. (2003) cho rằng các phân nhóm AOB, Nitrosomonas eutropha và Nitrosomonas europea chỉ thấy xuất hiện ở pH=7,5 và 30oC. Người ta còn chỉ ra rằng pH quan trọng hơn nhiệt độ trong việc chọn lọc N. eutropha N. europea. AOB tạo ra một lượng lớn các polysaccarit ngoại bào (EPS) khi sinh trưởng trong cộng đồng màng sinh học bề mặt. Vi khuẩn EPS cao có một sức chịu đựng lớn hơn ở pH thấp. Cộng đồng vi khuẩn oxi hóa amoni có xu hướng cư trú ở những vùng phía ngoài của bông và màng sinh học nơi mà nồng độ oxi cao trong khi NOB cư trú ở vùng phía trong và sát ngay với AOB nơi mức độ oxi thấp hơn. Quá trình nitrat hóa bị hạn chế chủ yếu ở vòng ngoài cùng (100 – 150μm) của bông hay màng [22]. 1.3.2.4. Ưu điểm của quá trình Sharon So với các quá trình khác, quá trình Sharon xem ra là khả thi nhất trong việc giảm căn bản nồng độ amoni trong nước thải có nồng độ amoni cao [11]. Hiệu suất loại bỏ nitơ có thể đạt được đến 90%. Quá trình này đòi hỏi đầu tư ban đầu khá nhỏ bởi chỉ cần một thiết bị thùng phản ứng đơn giản được khuấy trộn tốt với kích cỡ vừa phải mà không có sự lưu giữ bùn là đủ. Quá trình này không tạo ra bùn hóa học và tạo ra khá ít bùn sinh học. Nó cũng cần khá ít oxi do quá trình oxi hóa chỉ đến giai đoạn nitrit, điều này góp phần tiết kiệm năng lượng và việc phải đưa thêm nguồn cacbon vào. So với quá trình nitrat hóa và đề nitrat hóa truyền thống theo con đường nitrat, quá trình Sharon cần ít hơn 25% năng lượng và 40% cacbon thêm vào [24]. NH4+ + HCO3- + 0.75 O2→ 0.5 NH4+ + 0.5 NO2- + CO2 +1.5 H2O 1.3.2.5. Ứng dụng quá trình Sharon Quá trình Sharon được ứng dụng để xử lý nước loại ra từ quá trình phân hủy bùn để đi vào thiết bị phản ứng chính nơi mà dòng nước này sẽ được quay vòng. Theo lý thuyết, đầu vào trong quá trình Sharon chứa một lượng cân bằng về số mol giữa amoni và bicacbonat. Điều này phù hợp với nước thải của quá trình phân hủy bùn. Trong đầu ra của quá trình Sharon sẽ chứa một tỉ lệ amoni: nitrit cần thiết là 1:1. Điều này cần cho dòng vào của quá trình anammox [8]. Quá trình Sharon ứng dụng thực hiện với đầu ra của quá trình phân hủy bùn được tiến hành ở nhiệt độ 30-40oC trong một thiết bị phản ứng có điều nhiệt mà không có bất kỳ sự lưu giữ sinh khối nào [22]. Trong thiết bị phản ứng Sharon được sử dụng để đưa vào quá trình Anammox chỉ có 50% amoni cần được chuyển thành nitrit: NH4+ + HCO3- + 0,75 O2→ 0,5 NH4+ + 0,5 NO2- + CO2 +1,5 H2O Từ phương trình phản ứng này ta có thể thấy rằng việc đưa thêm bazơ vào là không cần thiết, vì trong nước bùn từ quá trình phân hủy yếm khí thường có đủ tính kiềm (ở dạng bicacbonat) để bù lại cho việc tạo thành sản phẩm axit nếu như chỉ 50% amoni bị oxi hóa. Khả năng để tạo ra một hỗn hợp 50:50 của amoni và nitrit với quá trình Sharon đã được đánh giá rộng rãi trong hệ thống ở qui mô phòng thí nghiệm với dòng vào là nước bùn. Kết quả cho thấy có thể đạt được sự ổn định trong việc chuyển hóa. 53% Amoni được oxi hóa thành nitrit ở tốc độ đưa vào là 1,2 kg N/m3/ngày mà không cần điều khiển pH. Vi khuẩn oxi hóa amoni có khả năng chịu đựng được nồng độ nitrit cao (0,5 g N-NO2-/l ở pH=7 [15]. Quá trình Sharon cũng được ứng dụng để xử lý nước thải bãi chôn lấp. Nước thải bãi chôn lấp là một hỗn hợp phức tạp của nước và các chất gây ô nhiễm vô cơ và hữu cơ có nồng độ cao, có thể có kim loại nặng được sinh ra trong quá trình phân hủy các chất thải được chôn lấp và được bổ sung thêm vào do nước mưa chảy thấm qua các chất thải. Nước thải của quá trình phân hủy yếm khí mà phần nổi ở trên (phần nước thải loại) là một mẫu điển hình về nồng độ amoni cao (800 - 1000mg NH4- NL-1) với tốc độ dòng thấp. Nước thải loại cũng có tỉ lệ kiềm/amoni thấp sẽ thích hợp cho quá trình nitrat hóa bán phần. Vì vậy quá trình Sharon cũng đã được ứng dụng cho xử lý nước thải loại của quá trình phân hủy yếm khí. 1.3.3. Quá trình Anammox 1.3.3.1. Định nghĩa Quá trình Anammox là quá trình oxi hóa amoni yếm khí (Anaerobic ammonium oxidation-Anammox) trong đó amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2, với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N2. Đây là một phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn so với quá trình loại bỏ amoni thông thường từ trong nước thải có chứa nhiều amoni. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp nitrat hóa và đề nitrat hóa thông thường là ở chỗ đòi hỏi nhu cầu về oxi ít hơn và không cần nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài. Bước nitrat hóa bán phần trước phải được tiến hành để chuyển chỉ một nửa amoni thành nitrit. Sản phẩm chính của quá trình Anammox là N2, tuy nhiên khoảng 10% của nitơ đưa vào (amoni và nitrit) được chuyển thành nitrat. * Phương trình phản ứng: Dựa trên cân bằng khối qua quá trình nuôi cấy làm giàu Anammox phương trình của quá trình Anammox được đưa ra như sau [19]: NH4+ + 1,3 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13H+ → 1,2N2 + 0,26NO3- + + 0,066 CH2O 0,5 N0,15 + 2,03 H2O * Cơ chế sinh hoá: Cơ chế chuyển hoá nội bào của phản ứng Anammox đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn. Sử dụng phương pháp đồng vị đánh dấu (15N), cơ chế sinh hoá của phản ứng Anammox được đề nghị. Đầu tiên vi khuẩn Anammox khử Nitrit (NO2-) thành Hydroxilamin (NH2OH), sau đó Hydroxilamin và Amoni ngưng tụ thành Hydrazine (N2H4) và nước. Cuối cùng Hydrazin bị oxi hoá thành N2 và electron lại được tái sử dụng cho quá trình khử Nitrit tiếp theo. Hình 3: Cơ chế sinh hoá giả thiết của phản ứng Anammox Anammox là một công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây. Nó không cần bất kỳ một nguồn cacbon hữu cơ nào để loại bỏ nitơ, vì vậy nó đem lại lợi ích về kinh tế và mang lại nhiều tiềm năng cho xử lý nước thải có chứa amoni nhưng hàm lượng cacbon hữu cơ thấp. Trong quá trình Anammox tỉ lệ hàm lượng giữa nitrit và amoni đầu vào là khoảng 1,3 và cần nguồn cacbon vô cơ, vì vậy phải bổ xung HCO3- . Sự kết hợp hai quá trình nitrat hóa bán phần và quá trình Anammox, thì trên thực tế nitrit là hợp chất trung gian trong cả hai quá trình. Vì vậy nitrat hóa bán phần rất thuận tiện và kinh tế và theo sau đó là quá trình Anammox đảm bảo loại bỏ toàn bộ nitơ thông qua một quá trình hoàn toàn tự dưỡng. Tuy nhiên quá trình Anammox khó áp dụng cho việc xử lý nước thải thực tế. Một trở ngại chính để ứng dụng quá trình Anammox là đòi hỏi một giai đoạn bắt đầu lâu dài, chủ yếu là do tốc độ sinh trưởng chậm của vi khuẩn Anammox (thời gian nhân đôi là khoảng 11 ngày). Thêm vào đó, vi khuẩn Anammox là vi khuẩn yếm khí và tự dưỡng hoàn toàn nên chúng khó để nuôi cấy. Vì vậy chúng chưa được phân lập trong môi trường nuôi cấy sạch. Do đó việc am hiểu về sinh lý học và động lực học của vi khuẩn anammox đem lại một ý nghĩa lớn [14]. Hình 4: Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia (John Fuerst/Rick Webb) [6] 1.3.3.2. Các điều kiện ảnh hưởng Khoảng pH và nhiệt độ sinh lý học: tốc độ chuyển hóa chất nền đặc biệt lớn của toàn bộ sinh khối anammox được tính toán như một hàm của nhiệt độ và pH trong những thí nghiệm dạng mẻ. Do hoạt tính của Anammox phụ thuộc vào nhiệt độ, người ta đã tính toán được năng lượng hoạt hoá là 70kJ/mol, tương đương với quá trình oxi hóa hiếu khí. Hoạt tính và ức chế: hằng số hoạt tính của anammox với amoni và nitrit cân bằng hoặc nhỏ hơn 0,1mg N/l. Quá trình anammox không bị ức chế bởi N-NH4+ và N-NO3- với nồng độ nhỏ hơn 1000mg/l. Tuy nhiên N-NO2- gây ức chế hoàn toàn với nồng độ 100mg/l, ở những nồng độ nitrit lớn hơn 18mM hoạt tính của anammox đã bị ức chế hoàn toàn, và nồng độ 25mM tương ứng với mức độ ức chế 50% [16]. Sự ức chế này sẽ được phục hồi bằng cách cộng thêm vào lượng vết những chất trung gian của anammox (>1,4 mgN/l của hydrazine, > 0,7 mgN/l của hydroxylamine). Hoạt tính của anammox giảm với sự gia tăng nồng độ nitrit. Việc giảm này không phụ thuộc vào pH trong khoảng 7 – 7,8. Ở nồng độ nitrit cao các vi sinh vật không chỉ sử dụng amoni là chất cho điện tử mà chúng còn phải tạo ra một chất cho điện tử ngay ở bên trong cơ thể để làm giảm nitrit [19]. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình anammox là khoảng 30 - 40oC. Tuy nhiên gần đây Cema et al đã cho thấy rằng trong một thiết bị đĩa quay sinh học quá trình anammox cũng đã đạt được thành công khi tiến hành ở nhiệt độ xung quanh 20oC. Và điều này cũng được ghi nhận bởi Isaka et al. khi tiến hành với thiết bị phản ứng lọc sinh học yếm khí (ABF) với kết quả xử lý được 8,1 g N (Ld)-1. Một vài nghiên cứu với anammox ở biển cũng cho thấy hoạt tính của anammox ở nhiệt độ thấp. Vì vậy việc ứng dụng anammox sẽ không bị hạn chế bởi ảnh hưởng của nhiệt độ gần khoảng 30oC [14]. Một thí nghiệm tiến hành với thiết bị lọc sinh học yếm khí (ABF) ở 20 - 22oC đã cho thấy rằng với một nồng độ thích hợp của nitrit và thời gian lưu thủy lực ngắn hơn sẽ đem lại một tốc độ chuyển hóa nitơ cao ngay cả khi chúng ta tiến hành ở nhiệt độ thấp thích hợp (dưới 25oC). Phản ứng anammox dễ dàng bị ức chế bởi oxi và nitrit. Mức độ oxi thấp (>0,04mg L-1) gây ra ức chế thuận nghịch và nồng độ nitrit cao (> 100 mg L-1) gây ra ức chế không thuận nghịch hoạt tính của vi khuẩn oxi hóa amoni. Ảnh hưởng của oxi lên quá trình anammox đã được kiểm nghiệm trong vài thí nghiệm và kết quả chỉ ra rằng khi oxi được loại bỏ bằng việc thổi mạnh với các khí trơ vào, việc chuyển hóa amoni và nitrit mới được phục hồi. Và người ta cũng nhận thấy rằng hoạt tính của anammox trong quá trình nuôi cấy làm giàu chỉ có ở những điều kiện hoàn toàn yếm khí [50]. Nồng độ oxi thấp gây nên ức chế thuận nghịch nhưng nồng độ oxi cao gây nên ức chế không thuận nghịch (18% độ bão hòa oxi) [16]. Ảnh hưởng của sunfua, sunfit và phôtphat: Với sunfua nồng độ giữa 1 và 2 mM gây ra sự giảm 60% hoạt tính của SAA. Và SAA hoàn toàn biến mất ở nồng độ sunfua lớn hơn 5mM. 1mM sunphit đã gây ra sự ảnh hưởng tới hoạt tính của anammox [16]. Photphat (5 - 50mM) có ảnh hưởng ức chế mạnh đến hoạt tính của anammox. Còn axetate có thể có mặt ở nồng độ lên đến 10 và 15 mM mà không gây nên sự giảm hoạt tính đáng kể nào. Nhưng ở nồng độ 25 và 50 mM axetat sẽ gây ra ức chế là 22% và 70% [13, 24]. Ảnh hưởng của muối: nồng độ NaCl dưới 150mM không ảnh hưởng đến hoạt tính của anammox trong khi KCl và Na2SO4 có ảnh hưởng khi nồng độ cao hơn 100 và 50mM, 40mM KHCO3 không có ảnh hưởng đến anammox [16]. 1.3.3.3. Sinh học tế bào Quá trình anammox được thực hiện bởi vi khuẩn tự dưỡng thuộc nhóm plantcomycetales. Các vi khuẩn trong quá trình anammox thuộc vào 3 giống sau: Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua. Vi khuẩn anammox được tìm thấy đầu tiên trong những tầng nước ở biển Đen, những khu vực có nồng độ oxi thấp ở đại dương [14]. Chúng là loại cực khó để phân lập và vì vậy không có môi trường nuôi cấy tinh khiết nào giữ lại được. Tuy nhiên có một vài môi trường nuôi cấy được làm giàu cao từ các thiết bị xử lý nước thải [17]. Toàn bộ các vi khuẩn anammox đều có các ngăn được ngăn bởi màng trong tế bào được gọi là các anammoxosome và quá trình Anammox được cho rằng diễn ra ở đó. Ở đây amoni được oxi hóa thành nitrit theo con đường hydrazin (N2H4) và hydroxylamin (NH2OH). Màng của anammoxosome chứa lớp lipid mà tạo thành các barie chặt chẽ chống lại sự phá hủy và là nơi xuất hiện đặc tính đặc biệt của Anammox. Quá trình thủy phân khiến các enzim trong màng thực hiện vai trò xúc tác cho sự oxi hóa của NH4+ với NO2-, với hydrazine và hydroxylamine là chất trung gian, tạo ra một lực proton đi qua màng và được dùng để sản sinh ra ATP. Cấu trúc màng rất chặt chẽ hạn chế sự phá hủy của proton khi đi qua màng để tăng quá trình tạo ATP. Nó cũng ngăn chặn sự mất đi của các chất trung gian và hạn chế chất trung gian hoạt động là hydrazine tới các anammoxosome, vì vậy ngăn chặn sự phá hủy tế bào [21]. Người ta cũng nhận thấy rằng cả các hỗn hợp vi khuẩn oxi hóa amoni và các vi khuẩn anammox dưới điều kiện yếm khí đều có thể sử dụng nitrit như là một chất nhận điện tử và amoni như là chất cho điện tử. Phương pháp FISH đã được sử dụng để nhận dạng các loại vi khuẩn oxi hóa amoni trong điều kiện yếm khí cho thấy rằng có 3 loại là Nitrosomonas spp., Candidatus Brocadia anammoxidans và Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Quá trình nuôi cấy khi được tiến hành ở 42 mgN–NH4+/l thì sẽ làm giàu cho Nitrosomonas spp. Chỉ có trên 30% Candidatus B. anammoxidans và K.stuttgartiensis là 2,1% trong khi nếu tiến hành nuôi cấy ở nồng độ 210mg N- NH4+/l thì B. anammoxidans và K.stuttgartiensis chiếm đến 85,6%. Tốc độ loại bỏ nitơ của vi khuẩn anammox (0,6 g N/g anammox VSS/ngày) cao hơn nhiều so với vi khuẩn oxi hóa amoni (0,4 g N/g Nitrosomonas VSS/ngày) [17]. Phản ứng oxi hóa amoni yếm khí được tiến hành bởi hai loại vi khuẩn anammox có tên là Candidatus Brocadia anammoxidans và Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Vi khuẩn này trước đây đã được quan sát thấy ở Hà Lan và sau đó là ở trong một vài thiết bị xử lý nước thải ở Đức và Thụy Điển. Hai loại vi khuẩn này rất giống nhau. Hoạt tính cao của anammox là có thể nhận thấy ở cả hai loại này trong khoảng pH từ 6,4 đến 8,3 và nhiệt độ từ 20 đến 43oC. Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của cả hai loại này khá giống nhau. Hoạt tính anammox cao nhất của K.stuttgartiensis là 26,5 nmol N2/mg protein.phút ở pH=8 và 37oC. Hoạt tính này là thấp hơn so với hoạt tính anammox tối đa của B. anammoxidans. Tốc độ sinh trưởng (thời gian nhân đôi là 11 ngày) của cả hai là giống nhau. Hoạt tính của vi khuẩn anammox cao hơn gấp 25 lần vi khuẩn nitrat hiếu khí oxi hóa amoni dưới điều kiện yếm khí khi sử dụng nitrit là chất nhận điện tử. Quá trình oxi hóa amoni yếm khí chậm hơn 7 lần so với quá trình oxi hóa amoni hiếu khí. Vi khuẩn anammox rất nhạy cảm với oxi và nitrit. Nồng độ thấp ở 2μM và nitrit từ 5 đến 10 mM đã gây ra sự ức chế hoàn toàn với anammox nhưng có thể phục hồi được [24]. 1.3.3.4. Ứng dụng quá trình anammox Công nghệ oxi hóa amoni kị khí (Anammox) là một công nghệ có tiềm năng và hiệu quả kinh tế cao hơn cho việc loại bỏ amoni có trong nước thải bãi chôn lấp, nơi có chứa một hàm lượng cao amoni và các chất hữu cơ khó phân hủy. Để cho quá trình Anammox xảy ra hoàn toàn cần một bước nitrat bán phần trước để tạo thành tỉ lệ thích hợp giữa NO2-/NH4+. Người ta cũng đã ứng dụng quá trình anammox vào xử lý dòng thải của công nghiệp cá hộp. Dòng thải này có độ mặn tương tự như nước biển, hàm lượng chất hữu cơ, protein cao. Quá trình phân hủy yếm khí dòng thải này đã loại được khoảng từ 70-90% và cũng dẫn đến tạo thành một lượng lớn amoni (5000mg/l) do sự phân hủy của protein, vì vậy làm cho dòng thải có một tỉ lệ C/N thấp. Điều này phù hợp để dùng phương pháp anammox kết hợp với sharon để xử lý [13]. Nước thải chứa hàm lượng cao của amoni và ít chất hữu cơ như dòng ra của thiết bị phân hủy bùn cũng được xử lý bằng phương pháp này. Tuy nhiên các điều kiện về trao đổi chất nghiêm ngặt và tốc độ sinh trưởng cực chậm của vi khuẩn anammox đã hạn chế việc ứng dụng vào những thiết bị phản ứng qui mô lớn. Mặc dù vậy cũng đã có một vài thành công trong việc ứng dụng anammox vào nước thải công nghiệp thực tế [13]. 1.3.4. Quá trình xử lý kết hợp Sharon/Anammox Hình 5: Quá trình xử lí kết hợp Sharon/anammox [9] Phương pháp nitrat hóa bán sản phẩm/ Anammox là một phương pháp mới dùng để loại bỏ Nitơ ra khỏi nước thải. Mục tiêu của phương pháp là nguồn nước có nồng độ Amoni cao (>0,2g/l) và cacbon hữu cơ thấp (tỉ lệ C:N thấp hơn 0,15). Khi quá trình Sharon được kết hợp với quá trình Anammox thì mô hình hoạt động được thay đổi thành quá trình nitrat hóa bán phần (chuyển chỉ 55-60% amoni thành nitrit) mà không có quá trình đề nitrat dị dưỡng để thích hợp làm đầu vào cho quá trình Anammox. Hai quá trình diễn ra như sau: Nitrat hóa bán phần: 2NH4+ + 3O2 = NH4+ + NO2- + 2H+ Anammox: NH4+ + NO2- = N2 + H2O Phản ứng tổng cộng: 2 NH4+ + 3O2 = N2 + H2O + 2H+ H+ sinh ra luôn được cân bằng bởi những ion nghịch dấu với amoni, thường là bicacbonat hoặc sulfite. Hai quá trình này có thể thực hiện ở 2 thùng phản ứng riêng biệt hay ở hai tháp đơn. Trước tiên, trong thiết bị phản ứng hiếu khí, Amoni bị oxi hóa 1 phần thành nitrit (thời gian lưu của bùn cân bằng với thời gian lưu thuỷ lực). Bùn hoạt tính từ thiết bị xử lý nước thải được cấy vào, sau đó quá trình Anammox diễn ra trong một thiết bị phản ứng mẻ liên tiếp. Bề mặt của bể phản ứng anammox được đậy kín với các hạt polypropylene để ngăn cản oxi đi vào. Nitrit tạo ra cùng với amoni còn lại và cả sinh khối của quá trình nitrat trong thiết bị phản ứng nitrat bán phần được đưa vào quá trình anammox tiếp theo. Tiến hành khuấy trộn trong quá trình phản ứng sau đó dừng khuấy trộn sẽ để cho sinh khối lắng xuống trước khi phần nổi phía trên được bơm ra ngoài. Một phần nhỏ trong phần nổi phân hủy thô được cộng vào liên tục ở giai đoạn 2 để ngăn chăn sự tích lũy nitrit [11]. 1.3.5. So sánh phương pháp nitat hóa sinh hóa truyền thống với phương pháp nitrat hóa bán phần/ Anammox (partical nitrification/ Anammox) Giá thành của quá trình loại bỏ nitơ bằng phương pháp nitrat - đề nitrat hóa thông thường tương đối lớn do liên quan đến nhu cầu đòi hỏi oxi và chất hữu cơ. Trong quá trình nitrat hóa việc đưa oxi (không khí) vào nước thải để oxi hóa amoni cần một lượng lớn năng lượng. Thêm vào đó, lượng BOD có mặt trong nước thải thường có giới hạn nên cần phải đưa thêm BOD bằng cách bổ xung methanol cho quá trình đề nitrat hóa. Vì vậy việc loại bỏ hoàn toàn nitơ trong nước thải có chứa hàm lượng nitơ cao đòi hỏi bổ sung một lượng lớn cacbon hữu cho quá trình đề nitrat hóa [24]. Hơn nữa quá trình nitrat hóa yêu cầu cần có tuổi bùn lâu nên thiết bị phản ứng cần phải lớn. Những hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách ứng dụng hai quá trình công nghệ sinh học mới gần đây: quá trình nitrat bán phần amoni thành nitrit bởi các vi khuẩn nitrit sinh trưởng nhanh và quá trình đề nitrat hóa của nitrit thành N2 sử dụng amoni là chất cho điện tử [22]. Phương pháp này đã được phát triển gần đây để giảm giá thành cho việc loại bỏ nitơ. Trong đó, sự kết hợp của quá trình nitrat một phần trước và quá trình oxi hóa amoni yếm khí tiếp theo (anammox) là một trong những phương pháp mới để loại bỏ nitơ trong nước thải có tỉ lệ C/N thấp và có hàm lượng amoni lớn. Do phương pháp này sử dụng tối thiểu BOD và năng lượng nên giúp tiết kiệm được giá thành so với phương pháp truyền thống [22]. Quá trình nitrat hoàn toàn diễn ra theo 2 bước: đầu tiên ammoni chuyển thành nitrit nhờ vi khuẩn nitrosomonas oxi hóa amoni (AOB) và sau đó nitrit được chuyển thành nitrat nhờ vi khuẩn nitrobacteur oxi hóa nitrit (NOB). AOB sử dụng 1,5 mol oxi cho 1 mol amoni vì vậy quá trình nitrat hóa hoàn toàn cần 2mol oxi. Trong khi đó quá trình nitrat hóa bán phần cần 0,75 mol oxi cho 1 mol nitơ. Như vậy nhu cầu oxi của quá trình nitrat hóa bán phần chỉ bằng 62,5% so với nhu cầu oxi của quá trình nitrat hóa hoàn toàn. NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + H2O + 2H+ ( nitrit hóa bởi AOB) NO2- + 0,5 O2 → NO3- ( nitrat bởi NOB) NH4+ + 2 O2 → NO3- + H2O + 2H+ ( nitrat hóa hoàn toàn) NH4+ + 0,75 O2 → 0,5 NH4+ + 0,5NO2- + 0,5H2O + H+ ( nitrat hóa bán phần) Quá trình đề nitrat hóa yếm khí của nitrat thành N2 cần phải sử dụng các chất hữu cơ phân hủy sinh học dễ có thể đóng vai trò là chất nhận điện tử. Vì vậy, trong phương pháp truyền thống luôn tồn tại các vấn đề như: hiệu quả loại bỏ nitơ thấp, tiêu thụ nhiều năng lượng, việc vận hành không ổn định khi sử dụng công nghệ loại bỏ nitơ truyền thống cho xử lý các nguồn nước thải chứa nhiều amoni và chứa ít hàm lượng cacbon hữu cơ. Trong khi đó phương pháp loại bỏ nitơ theo phương pháp kết hợp Sharon/anammox là không cần bổ sung nguồn cacbon từ bên ngoài, sản phẩm bùn tạo ra không đáng kể, nhu cầu về oxi và năng lượng cũng thấp hơn so với quá trình thông thường. Đó chính là những ưu điểm của phương pháp kết hợp Sharon/anammox so với phương pháp loại bỏ nitơ truyền thống nên hiện nay phương pháp này đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi. Hình 6: Vòng tuần hoàn sinh học của Nitơ, các chất trung gian, các sản phẩm của các quá trình quan trọng như cố định Nitơ, Nitrat hoá, Đề nitrat hoá và Anammox (M. Strous) [9] Phần 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu ở đây là nước mẫu nước thải nhân tạo chứa amoni. * Nước thải hỗn hợp bao gồm: 1. (NH4)2SO4: nồng độ tùy thuộc điều kiện khảo sát 2. NaHCO3: Nồng độ thay đổi tương ướng với nồng độ amoni 3. NaNO2: Nồng độ tương ứng với nồng độ amoni 4. KH2PO4: 27,2mg/l 5. MgSO4.7H2O: 300mg/L 6. CaCl2: 180mg/l *Vết nguyên tố (dung dịch 1) bao gồm: 1. EDTA: 5g 2. FeSO4.7H2O: 5g Được pha trong 1L nước. * Vết nguyên tố (dung dịch 2) bao gồm: 1. ZnSO4.H2o: 0,43g 2. H3BO3: 0,014g 3. CoCl2.6H2O: 0,24g 4. MnCl2.4H2O: 0,99g 5. CuSO4.5H2O: 2,25g 6. NaMoO4.2H2O: O,22g 7. NiCl2.6H2O: 0,19g 8. Na2SeO4.10H2O: 0,21g 9. EDTA: 15g Tất cả được pha trong 1 L nước. - Dùng 1ml dung dịch vêt 1 cho 0,5 l nước thải, và 1ml dung dịch vết 2 cho 1 L nước thải 2.2. Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng phản ứng anammox vào xử lý nitơ (chủ yếu là amoni), về nguyên tắc hoặc là cần bổ xung Nitrit vào, hoặc là chuyển hóa một nửa amoni ban đầu thành nitrit rồi chính nitrit sinh ra phản ứng với một nửa amoni còn lại. Hướng thứ hai chính là nguyên lý cho các ứng dụng thực tế của Anammox. Mục đích của báo cáo chính là khảo sát điều kiện tối ưu về pH, tốc độ thổi khí để amoni ban đầu chuyển hóa thành nitrit theo đúng tỷ lệ 1: 1,32 hiệu quả nhất để vào quá trình Anammox. Khảo sát hoạt tính của vi khuẩn anammox trong quá trình làm giàu. Từ đó ứng dụng vào việc xử lý nước thải chứa nồng độ amoni cao bằng cách kết hợp hai quá trình Sharon/anammox trong điều kiện gần với thực tế. 2.3. Mô hình thực nghiệm Vật liệu mang – giá thể vi sinh là sợi acrylic chuyên dụng , có đặc tính trội hơn các loại vật liệu khác về độ sạch, diện tích tiếp xúc bề mặt, nhẹ, lại không bị tắc và sức cản của dòng chảy, rẻ , dạng sợi xù xì (để tăng độ bám cho màng vi sinh vật – biofilm). Môi trường được điều chỉnh pH để hạn chế quá trình oxi hóa Nitrit thành Nitrat. Thiết bị xử lý được dùng để nghiên cứu gồm có 4 cột: + Cột 1: hiếu khí trong đó xảy ra quá trình oxi hoá Amoni thành Nitrit, và Nitrit thành Nitrat (quá trình Sharon). + Cột 2: Tuỳ tiện trong đó phần trên cột chứa phần lớn vi khuẩn ưa khí để loại bỏ hết oxi còn lại để xuống phần bên dước là chủ yếu vi khuẩn