Đề tài Nghiên cứu xử lý amonibằng phương pháp sinh học sử dụng các vi khuẩn tự dưỡng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC --------&--------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội, năm 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ™{˜ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONIBẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌCSỬ DỤNG CÁC VI KHUẨN TỰ DƯỠNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành : Công nghệ hoá học Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Lê Hùng Sinh viên : HÀ NỘI – 2010 Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Trịnh Lê Hùng, người đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện bản khoá luận này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô và các bạn trong phòng hóa sinh và phòng hóa môi trường thuộc Bộ môn công nghệ hóa học, khoa hoá học trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm khoá luận. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn trong lớp k51B – Công nghệ hoá học đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 6 năm 2010 Sinh viên DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Kết quả xây dụng đường chuẩn của Amoni 30 Bảng 2: Kết quả xây dựng đường chuẩn của Nitrit 32 Bảng 3: Kết quả xây dựng đường chuẩn của nitrate 34 Bảng 4: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại nồng độ 50 mgN-NH4+/L, pH=8, 25oC, t =12h 36 Bảng 5: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại nồng độ 75 mgN-NH4+/L, pH=8, 25oC, t =12h 36 Bảng 6: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại nồng độ 100 mgN-NH4+/L, pH=8, 25oC, t =12h 36 Bảng 7: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại 16oC, 100 mgN-NH4+/L, t =12h, pH=8 39 Bảng 8: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại 19oC, 100 mgN-NH4+/L, t =12h, pH-8 39 Bảng 9: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại 21oC, 100 mgN-NH4+/L, t =12h, pH=8 40 Bảng 10: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại 25oC, 100 mgN-NH4+/L, t =12h, pH=8 40 Bảng 11: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 48 h, 18oC-23oC, 50 mgN-NH4+/L, pH=8 43 Bảng 12: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 24 h, 18oC-23oC, 50 mgN-NH4+/L, pH=8 43 Bảng 13: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 12 h, 18oC-23oC, 50 mgN-NH4+/L, pH=8 43 Bảng 14: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 8 h, 18oC-23oC, 50 mgN-NH4+/L, pH=8 44 Bảng 15: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 5 h, 18oC-23oC, 50 mgN-NH4+/L, pH=8 44 Bảng 16: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 3,2 h, 18oC-23oC, 50 mgN-NH4+/L, pH=8 45 Bảng 17: Sự biến thiên nồng độ của N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- qua 4 cột tại t = 2,12 h, 18oC-23oC, 50 mgN/L, pH=8 45 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Vi khuẩn NitrosomonasII (Yuichi Suwa) và: Vi khuẩn Nitrobacter 7 Hình 2: Vi khuẩn Bacillus 9 Hình 3: Cơ chế sinh hoá giả thiết của phản ứng Anammox 15 Hình 4: Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia (John Fuerst/Rick Webb) [6] 16 Hình 5: Quá trình xử lí kết hợp Sharon/anammox [9] 20 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] 23 Hình 7: Mô hình Sharon/Anammox thực nghiệm 26 Hình 8a: Hình ảnh vật liệu mang khi chưa có vi sinh vật (SEM) 8a Hình 8b: Hình ảnh vi sinh vật phát triển trên vật liệu mang (SEM) 8b Hình 9: Phương trình đường chuẩn Amoni 29 Hình 10: Phương trình đường chuẩn Nitrit 31 Hình 11: Phương trình đường chuẩn Nitrat 31 Hình 12: Đầu vào/70L/p, pH=8, t=12h, 25oC 37 Hình 13: HK 70L/p, pH=8, t=12h, 25oC 37 Hình 14: TT 70L/p, pH=8, t=12h, 25oC 37 Hình 15: YK 1 70L/p, pH=8, t=12h, 25oC 37 Hình 16: YK 2 70L/p, pH=8, t=12h, 25oC 37 Hình 17: Vào 70L/p, pH=8, t=12h, 100 mgN-NH4+/L 41 Hình 18: HK 70L/p, pH=8, t=12h, 100 mgN-NH4+/L 41 Hình 19: TT 70L/p, pH=8, t=12h, 100 mgN-NH4+/L 41 Hình 20: YK1 70L/p, pH=8, t=12h, 100 mgN-NH4+/L 41 Hình 21: YK2 70L/p, pH=8, 18-23oC, 50 mgN-NH4+/L 44 Hình 22: Vào 70L/p, pH=8, 18-23oC, 50 mgN-NH4+/L 46 Hình 23: HK 70L/p, pH=8, 18-23oC, 50 mgN-NH4+/L 46 Hình 24: TT 70L/p, pH=8, 18-23oC, 50 mgN-NH4+/L 46 Hình 25: YK1 70L/p, pH=8, 18-23oC, 50 mgN-NH4+/L 46 Hình 26: YK2 70L/p, pH=8, 18-23oC, 50 mgN-NH4+/L 46 Phần 1. TỔNG QUAN 1.1. Hiện trạng ô nhiễm và sự cần thiết phải xử lí các hợp chất Nitơ trong nước 1.1.1. Tiêu chuẩn về nồng độ các hợp chất của nitơ trong nước của thế giới và Việt Nam 1.1.1.1. Thế giới Tiêu chuẩn của EPA ( U.S Enviromental protection Agency-cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) đối với NO2- trong nước cấp uống trực tiếp không vượt quá 1mg/l . Theo tiêu chuẩn Châu Âu, trong nước cấp uống trực tiếp NH4+ không vượt quá 0,5mg/l. Theo tiêu chuẩn của WHO và EPA đối với nước cấp uống trực tiếp hàm lượng NO3- không vượt quá 10mg/l. 1.1.1.2. Việt Nam Theo “tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống” ban hành kèm theo quyết định số 1329/2002/BYT- QĐ của bộ Y tế, nồng độ cho phép của các hợp chất như sau: Hàm lượng Amoniac tính theo Amoni : 1,5 mg/l Hàm lượng Nitrit tính theo Nitrit: 0,02 mg/l Hàm lượng Nitrat tính theo Nitrat: 50 mg/l [2] 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm các hợp chất nitơ trong nước Có thể đánh giá mức độ ô nhiễm bằng cách so sánh nồng độ các hợp chất Nitơ trong nước thải hoặc nước ngầm với tiêu chuẩn trên. Theo khảo sát của các nhà khoa học, phần lớn nước ngầm ở vùng đồng bằng bắc bộ như Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Hải Dương… đều bị nhiễm bẩn Amoni (NH4+) rất nặng vượt tiêu chuẩn nhiều lần. Tại Hà Nội, Hà Tây,Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hải Dương,Hưng Yên, Thái bình, xác suất các nguồn nước ngầm nhiễm Amoni ở nồng độ cao hơn tiêu chuẩn là khoảng 70-80%. Ngoài amoni, không ít nguồn còn chứa khá nhiều chất hữu cơ. Như vậy, tình trạng nhiễm bẩn Amoni và hợp chất hữu cơ trong nước ngầm ở Đồng bằng Bắc Bộ đã đến mức báo động [8]. Kết quả khảo sát mới đây của Liên đoàn địa chất thủy văn - địa chất công trình miền Bắc cho thấy, hàm lượng Amoni, Nitrat, Nitrit, … trong nước ngầm ở Hà Nội đã vượt nhiều lần chỉ tiêu cho phép, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước uống dựa trên Quyết định 1329 của Bộ Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng Amoni: 1,5mg/l. trên thực tế, kết quả phân tích các mẫu nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao hơn từ 20 đến 30 lần. Tầng nước ngầm trên (cách mặt đất từ 25m đến 40m) – nơi người dân khai thác bằng cách đào giếng khoan đã ô nhiễm nặng ở nhiều nơi. Điển hình là xã Pháp Vân có hàm lượng Amoni là 31,6 mg/l. Phường Tương Mai có hàm lượng Amoni là 13,5 mg/l. các phường Trung Hòa, xã Tây Mỗ, xã Trung Văn,… đều có hiện trạng tương tự [8]. Nguy hại hơn, mức ô nhiễm đang tăng dần theo thời gian, xã Yên Sở trong năm 2002 kết quả đo đạc cho thấy hàm lượng Amoni là 37,2 mg/l hiện nay đã tăng lên 45,2 mg/l, phường Bách Khoa mức nhiễm từ 9,4 mg/l, nay tăng lên 14,7mg/l. Có nơi chưa từng bị nhiễm amoni song nay cũng đã vượt tiêu chuẩn cho phép như Long Biên, Tây Mỗ, Đông Ngạc,…hiện bản đồ nguồn nước nhiễm bẩn đã lan rộng trên toàn thành phố. Theo kết quả nghiên cứu của nhiều đề tài đã và đang thực hiện, hàm lượng Amoni trong nước của tầng Qa dao động từ vết đến 30 mg/l. Hầu hết, các khu vực đều nhiễm amôni, trong đó có các khu vực nhiễm nặng như: Pháp Vân, Định Công, Hạ Đinh, Kim Giang, Tương Mai, Bạch Mai, Bách Khoa, Kim Liên, Quỳnh Mai. Một số khu vực nhiễm nhẹ như Lương Yên, Yên Phụ, Ngô Sĩ Liên, Đồn Thủy. Ngoài ra, một số khu vực cũng đã có dấu hiệu nhiễm như Ngọc Hà, Mai Dịch. Nhìn chung, các khu vực bị nhiễm nặng amoni tập trung nhiều hơn ở khu vực phía Nam thành phố và khu Trung tâm. Cao nhất là khu vực Pháp Vân, Định Công (~ 20 mg/l), sau đó là khu vực Hạ Đình (~12mg/l), Tương Mai (~10mg/l) [2]. Tầng nước ngầm dưới (cách mặt đất từ 45m đến 60m) là nguồn cung cấp cho các nhà máy cũng bị nhiễm bẩn. Đề tài “ nghiên cứu xử lí nước ngầm nhiễm bẩn Amoni “ do sở giao thong công chính Hà Nội vừa nghiệm thu cho thấy: “do cấu trúc địa chất , nước ngầm nhà máy nước Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai có hàm lượng sắt và Amoni (NH4) vượt quá tiêu chuẩn cho phép khá nhiều. Tại nhà máy Tương Mai: Hàm lượng NH4 là 6 – 12, có khi 18 mg/l; Hạ Đình: 12 -20, có khi 25 mg/l; Pháp Vân: 15 – 30, có khi 40 mg/l [2, 3]. 1.1.3. Tác hại của các hợp chất chứa Nitơ đối với cơ thể con người Các hợp chất chứa Nitơ có thể tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ, Nitrit, Nitrat và Amoni. Amoni thực ra không quá độc đối với cơ thể con người. Ở trong nước ngầm Amoni không thể chuyển hóa được do thiếu oxi. Nhưng khi khai thác lên, vi sinh vật trong nước nhờ oxi trong không khí chuyển Amoni thành các nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) tích tụ trong nước ăn. Các hợp chất chứa Nitơ trong nước có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm cho cơ thể người sử dụng nước. Trong những thập niên gần đây, nồng độ NO3- trong nước uống tăng lên đáng kể. Nguyên nhân là do sự sử dụng phân đạm vô cơ tăng, gây rò rỉ NO3- xuống nước ngầm. Hàm lượng NO3- trong nước uống tăng gây ra nguy cơ về sức khỏe đối với cộng đồng. Bản thân NO3- không gây rủi ro cho sức khỏe, tuy nhiên NO3- chuyển thành NO2- do men khử nitrat và gây độc. NO2- ảnh hưởng đến sức khỏe với hai khả năng sau: chứng máu Methaemoglobin và ung thư tiềm tàng [4]. *Chứng máu Methaemo-globinaemia (hội chứng xanh xao trẻ em) Trẻ nhỏ khoảng một tuổi dễ mẫn cảm với sự tồn lưu huyết cầu tế bào thai và trong dạ dày không có đủ độ chua để hạn chế sự chuyển hóa NO3- thành NO2-, NO2- hình thành ở dạ dày, truyền qua đường máu, phản ứng với huyết sắc tố mang O2, oxi hóa sắt để tạo thành huyết Methaemoglobin làm giảm khả năng mang oxi của máu, có khả năng gây tử vong do “ngột ngạt hóa chất”. Ở những quốc gia có nồng độ NO3- cao phải cấp nước chai có nồng độ NO3- thấp cho các bà mẹ đang cho con bú và cho trẻ em được nuôi bằng sữa bình. *Ung thư tiềm tàng Đối với người lớn, NO2- kết hợp với các amino axit trong thực phẩm làm thành một họ chất Nitrosamin. Nitrosamin có thế gây tổn thương di truyền tế bào – nguyên nhân gây bệnh ung thư. Những thí nghiệm cho NO2- vào thức ăn, nước uống của chuột thỏ,… với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép thì sau một thời gian thấy những khối u sinh ra trong gan, phổi, vòm họng của chúng. Ngoài ra, Amoni có mặt trong nước ngầm làm giảm hiệu quả của khâu khử trùng bằng clo, do nó phản ứng với clo để tạo thành các cloramin, có tác dụng sát khuẩn yếu hơn nhiều so với clo (khoảng 1000 lần). Ngoài ra, nó còn giảm khả năng xử lý sắt, mangan bằng công nghệ truyền thống. Amoni là nguồn dinh dưỡng, tạo điều kiện cho các vi sinh vật nước, kể cả tảo, phát triển nhanh, làm ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm, đặc biệt là độ trong, mùi, vị, nhiễm khuẩn [6]. 1.1.4. Nguyên nhân Ô nhiễm nước bởi các hợp chất chứa nitơ có thể là do quá trình thấm xuyên nước mặt xuống các tầng phía dưới qua các cửa sổ địa chất thủy văn. Các chất ô nhiễm như các hợp chất nitơ sẽ từ nước mặt thấm xuống nước dưới đất. Đó là nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm. Như vậy nếu nguồn nước mặt bị ô nhiễm thì dẫn đến nguồn nước ngầm cũng bị ô nhiễm. Ngoài ra quá trình lắng đọng giữ lại cũng như hàng loạt các hợp chất chứa nitơ từ các quá trình tự nhiên (amonaxit, amid, hợp chất nitơ dị vòng…) cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm nước bởi các hợp chất nitơ. Ở môi trường pH từ 6 - 8 nitơ nằm chủ yếu dưới dạng NH4+. Amoni có thể xuất hiện trong nước ngầm từ nước thải sinh hoạt, bãi chôn lấp phế thải, nghĩa trang… do kết quả của quá trình Amon hóa - phân hủy các hợp chất chứa nitơ như đạm, nước tiểu và axit nucleic… bởi vi sinh vật hay do việc sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu có chứa nitơ trong nông nghiệp. Sự có mặt các ion NH4+ cùng với NO3- chứng tỏ nước ngầm bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt mới xâm nhập [2]. 1.1.5. Nguồn gây ô nhiễm amoni 1.1.5.1. Nguồn gốc gây ô nhiễm trong tự nhiên Nitơ từ đất, nước, không khí vào các cơ thể sinh vật qua nhiều dạng biến đổi sinh học, hóa học phức tạp rồi lại quay trở về đất, nước, không khí tạo thành một vòng khép kín gọi là chu trình Nitơ. Trong đất, nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất nitơ hữu cơ. Lượng này càng được tăng lên do sự phân hủy xác động thực vật, chất thải động vật. Hầu hết thực vật không thể trực tiếp sử dụng dạng nitơ hữu cơ này mà phải nhờ vi khuẩn trong đất chuyển hóa chúng thành những dạng vô cơ mà thực vật có thể hấp thụ được. Khi được rễ cây hấp thụ qua các quá trình biến đổi hóa học, chúng sẽ tạo thành enzim, protein, clorophin… nhờ đó thực vật lớn lên và phát triển. Con người và động vật ăn thực vật sau đó thải cặn bã vào đất cung cấp trở lại nguồn nitơ cho thực vật. Một số loài thực vật có nốt sần như: cây họ đậu, cỏ ba lá, cây đinh lăng,… có thể chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng nitơ sử dụng được cho cây. Nitơ đã tạo được một chu trình kín trong tự nhiên. 1.1.5.2. Nguồn gốc gây ô nhiễm do con người Ngoài quá trình hình thành theo con đường tư nhiên, lượng ion NO3-, NO2-, NH4+ trong chu trình còn được tăng lên do các nhà máy sản xuất phân đạm, chất thải khu đô thị có hàm lượng nitơ cao. Nguồn ô nhiễm nitơ trong nước bề mặt có thể từ nhiều nguồn khác nhau: công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt đời sống,… Các ngành công nghiệp sử dụng nitrat trong sản xuất là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước. Nitrat được thải qua nước thải hoặc rác thải. Trong hệ thống ống khói còn chứa nhiều oxit nitơ thải vào khí quyển, gặp mưa và một số quá trình biến đổi hóa học khác, chúng rơi xuống đất dưới dạng HNO3, HNO2. Do đó hàm lượng của các ion này trong nước tăng lên. Nông nghiệp hiện đại là nguồn gây ô nhiễm lớn cho nước. Việc sử dụng phân bón hóa học chứa nitơ với số lượng lớn, thành phần không hợp lý, sử dụng bừa bãi thuốc trừ sâu, diệt cỏ,… thông qua quá trình rửa trôi, thấm, lọc, lượng nitrat hóa, amoni trong nước bề mặt và nước ngầm ngày càng lớn. Trong nước thải sinh hoạt cũng có chứa một hàm lượng nitơ nhất định. Việc nước thải sinh hoạt không được xử lý chảy vào hệ thống các con sông trong thành phố cũng là một trong các nguồn gốc gây ô nhiễm nước [7]. 1.2. Khái quát chung về một số phương pháp tách loại amoni Amoni là một thành phần rất hay gặp trong nước thải. Các dòng thải chứa Nitơ có thể gây độc đối với môi trường nước, gây ra hiện tượng giảm nồng độ oxi trong nước, hiện tượng phú dưỡng và ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ Clo. Vì vậy loại bỏ nitơ trong các nguồn nước thải là cần thiết. Các hợp chất của nitơ có thể được loại bỏ từ nước thải bởi các quá trình sinh học hay các quá trình kết hợp giữa hóa lý và vật lý. Phương pháp sinh học là kinh tế và hiệu quả do giá thành vận hành thấp và quá trình thực hiện là thuận lợi hơn so với các phương pháp vật lý và hóa học. Nên quá trình loại bỏ nitơ theo phương pháp sinh học thường được ứng dụng rộng rãi hơn các phương pháp vật lý và hóa học [22]. Quá trình loại bỏ nitơ theo phương pháp sinh học thông thường diễn ra chậm do số lượng và hoạt tính của vi sinh vật thấp. Quá trình này thường chỉ thực hiện với các nguồn nước thải có chứa hàm lượng amoni thấp. Trong vài năm gần đây, đã có vài qúa trình loại bỏ nitơ theo phương pháp sinh học có hiệu quả và kinh tế đã được phát triển như: nitrat bán phần (quá trình Sharon), quá trình Anammox, kết hợp Sharon/ Anammox, quá trình Canon, oxi hóa amoni yếm khí, và hệ thống kết hợp giữa các quá trình này. Có rất nhiều phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm đã được các nước trên thế giới thử nghiệm và đưa vào áp dụng như: làm thoáng để khử NH3 ở môi trường pH cao (pH = 10 - 11); clo hóa với nồng độ cao hơn điểm đột biến trên đường cong hấp thụ clo trong nước, tạo cloramin; trao đổi ion NH4+ và NO3- bằng các vật liệu trao đổi Cation/Anion, như Klynoptilolyle hay Sepiolite; Nitrat hóa bằng phương pháp sinh học; Nitrat hóa kết hợp với khử nitrat; công nghệ anammox, Sharon/anammox; Phương pháp điện hóa, điện thẩm tách, điện thẩm tách đảo chiều vv…[2] 1.3. Phương pháp sinh học xử lý amoni 1.3.1. Phương pháp sinh học truyền thống xử lý amoni Quá trình nitrat hóa đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái trên Trái Đất, đặc biệt là với chu trình của nitơ. Đây là phương pháp truyền thống để xử lý Amoni, là quá trình chuyển hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ của nitơ có tính khử thành các hợp chất vô cơ có tính oxi hóa. Amoni được loại bỏ qua 2 giai đoạn: giai đoạn nitrat hóa và đề nitrat hóa. 1.3.1.1. Quá trình nitrat hóa *Vi khuẩn nitrat hóa: Các loại sinh vật tham gia vào quá trình Nitrat hóa gồm Nitrosomonas và Nitrobacter. Các vi sinh vật này là loại tự dưỡng bởi vì chúng tiếp nhận năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp tế bào từ sự oxi hóa các hợp chất vô cơ hoặc CO2 hơn là từ các hợp chất hữu cơ. Cả hai loại vi sinh vật này đều có yêu cầu về môi trường riêng biệt cho sự sinh trưởng như pH, nhiệt độ, oxi hòa tan. Thêm vào đó, chúng tái sinh chậm hơn nhiều so với vi sinh vật dị dưỡng. Nhiều loại kim loại nặng hoặc các hợp chất hữu cơ có thể ức chế sự phát triển của vi sinh vật Nitrat hóa. Nitrosomonas chỉ có thể oxi hóa Amoni thành Nitrit cũng như Nitrobacter chỉ oxi hóa Nitrit thành Nitrat. Hình 1: Vi khuẩn NitrosomonasII (Yuichi Suwa) và: Vi khuẩn Nitrobacter * Điều kiện tối ưu cho sự phát triển của 2 loại vi khuẩn trên: - Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ từ 25 – 30oC là thích hợp cho việc Nitrat hóa, trong đó tại nhiệt độ xung quanh 30oC tốc độ Nitrat hóa là cao nhất [13]. - pH: Thông thường, sự chuyển hóa của amoni thành Nitrat thông qua nitrit bởi vi sinh vật nitrat hóa tự dưỡng được coi là xảy ra trong môi trường pH từ trung tính đến kiềm, trong khi quá trình nitrat hóa ở pH axit được coi như kết quả do hoạt động của vi sinh vật dị dưỡng. Kết luận này thu được từ sự quan sát tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrat hóa trong hệ thống gián đoạn, người ta thấy rằng pH tối ưu cho Nitrosomonas và Nitrobacter tương ứng nằm trong khoảng 7,5 – 9,0 và 7,0 – 9,3. Sự oxi hóa nitrit bị giảm tại pH kiềm do sự ức chế cạnh tranh giữa NO2- và OH-. Sự oxi hóa nitrit bị giảm tại pH thấp, phụ thuộc vào sự tạo thành axit nitric tự do. * Phương trình tỷ lượng: Sự oxi hóa của NH4+ và NO3- xảy ra theo 2 bước như sau: - Bước 1: Amoni được oxi hóa thành nitrit NH4+ + 3/2O2 Nitrosomonas NO2- + 2H+ + H2O Vi khuẩn thực hiện quá trình này ở thủy vực nước ngọt có tên là Nitrosomonas europara và trong thủy vực nước lợ có tên là Nitrosococcus. - Bước 2: Oxi hóa NO2- thành NO3- NO2- + 1/2 O2 nitrobacter NO3- Phương trình tổng cộng có thể viết như sau: NH4+ + 2O2 → NO3- +2H+ +H2O (1) Để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn muốn oxi hóa 1g NH4+ cần 4.57 g O2. Phản ứng tạo sinh khối cũng xảy ra đồng thời với quá trình Nitrat hóa theo phương trình: NH4+ + HCO3- + 4CO2 + H2O → C5 H7 O2N + 5O2 (2) Trong đó C5H7O2N là công thức tượng trưng cho tế bào vi khuẩn Kết hợp (1) và (2), phương trình tổng cộng của quá trình oxi hóa và tạo sinh khối là: 22NH4+ + 37O2 + HCO3- + 4CO2 →C5H7O2N + 21NO3- + 20H2O + 42H+ Từ phương trình trên ta thấy rằng tính kiềm sẽ giảm dần trong suốt quá trình Nitrat hóa [ 20]. *Hiệu quả của quá trình nitrat hóa: Vận tốc quá trình nitrat hóa phụ thuộc vào tuổi thọ bùn (màng vi sinh vật), nhiệt độ, pH của môi trường, nồng độ vi sinh vật hàm lượng Amoni, oxi hòa tan, vật liệu lọc,…ở nhiệt độ cao thì quá trình diễn ra thuận lợi hơn. Quá trình nitrat hóa diễn ra có hiệu quả khi hàm lượng oxi hòa tan lớn hơn 4mg/l. Với hàm lượng oxi hòa tan 2mg/l, hiệu suất của quá trình giảm đi 50%. Các vi khuẩn nitrat hóa có khả năng kết tụ thấp, do vậy việc lựa chọn vật liệu lọc nơi các màng vi sinh vật bám dính cũng có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu suất làm sạch và sự tương quan sản phẩm của phản ứng sinh hóa [6]. 1.3.1.2. Quá trình đề nitrat hóa Đề nitrat hóa là quá trình trong đó một số loài vi khuẩn nhất định trong điều kiện kỵ khí khử NO3- thành sản phẩm khí như N2, NO, N2O là những chất có ảnh hưởng không đáng kể tới môi trường [20]. * Vi khuẩn đề nitrat hóa: Không giống như vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng trong giai đoạn nitrat hóa, vi kh