Luận văn Chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn nuôi heo bằng việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
1







Luận văn

Chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn
nuôi heo bằng việc ứng dụng quá trình Nitrification
và Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
2


1. Đặt Vấn Đề
Trong các ngành công nghiệp, trong đó có ngành chăn nuôi hàng năm tiêu thụ
một lượng nước rất lớn. Từ đó thải ra một lượng nước thải rất lớn có nồng độ
ammonium khá cao. Việc xả bỏ N - ammonium vào môi trường là một trong những
nguyên nhân chính gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, dẫn đến ô nhiễm
và mất cân bằng sinh thái. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng các quá trình khử
ammonium trong các loại nước thải giàu nitơ mang một ý nghĩa thực tiễn cao.
Ơ nước ta, công tác xử lý nước thải thường chỉ chú trọng đến việc loại bỏ COD,
BOD mà chưa quan tâm đúng mức đối với chỉ tiêu ô nhiễm ammonium. Tại TP. Hồ
Chí Minh chỉ có một số ít các cơ sở, xí nghiệp chăn nuôi có trang bị hệ thống xử lý
nước thải và hầu hết là thải bỏ ra các kênh rạch, sông suối
Khám phá các loại vi sinh vật mới nhằm tìm ra các phương pháp mới để khử
ammonium trong nước thải từ lâu đã được nghiên cứu trên thế giới. Ứng dụng quá
trình Nitrification –Anammox để xử lý nước thải công nghiệp đang là đề tài hấp dẫn
các nhà sinh vật học và môi trường học. Ở Việt Nam, ngành công nghệ môi trường
tuy vẫn còn non trẻ, nhưng với sự quan tâm đặc biệt của nhà nước nên trong những
năm gần đây đã có những tiến bộ đáng kể trong công tác nghiên cứu và ứng dụng các
tiến bộ khoa học kỹ thuật vào công nghệ xử lý nước thải bảo vệ môi trường.
Chính vì những lý do trên mà việc nghiên cứu ứng dụng quá trình Nitrification
– Anammox, là quá trình khử ammonium bằng vi sinh vật hiếu khí- kỵ khí trong
nước thải ngành chăn nuôi để cho sản phẩm cuối cùng là khí nitơ, một loại khí được
xem như vô hại đối với môi trường, sẽ mở ra một hướng đi mới không những mang ý
nghĩa về mặt khoa học, hơn thế nữa nó còn phù hợp với quan điểm phát triển bền
vững hiện nay, đó là tăng trưởng kinh tế phải đi đôi với bảo vệ môi trường.
2. Mục Tiêu Nghiên Cứu
Nghiên cứu quá trình chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn nuôi heo

bằng việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox (Anaerobic Ammonium
Oxidation)
3. Nội Dung Nghiên Cứu

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
3
 Khảo sát thành phần và tính chất của bùn thải được lấy từ bể lắng (bùn hiếu
khí) và từ bể kỵ khí (bùn kỵ khí) của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo (Xí
nghiệp heo giống Đông Á, huyện Dĩ An, tỉnh Bình Dương)
 Nghiên cứu điều kiện môi trường thích hợp để vi khuẩn Nitrosomonas,
Nitrobacter và Anammox trong bùn thải phát triển tốt.
 Thiết kế, lắp đặt và vận hành mô hình.
 Phân tích các chỉ tiêu N-NH
4
, N-NO
2
, N-NO
3
, COD , P-PO
4
, Fe , PH , SS,
DO ….của nước thải đầu vào và đầu ra.
 Đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý trong các điều kiện khác nhau.
 Đề xuất xây dựng công nghệ thích hợp để xử lý ammonium cho ngành chăn
nuôi heo.
4. Phương Pháp Nghiên Cứu
Cách Tiếp Cận
 Nghiên cứu tài liệu liên quan đến hiên trạng xử lý nước thải của các cơ
sở, xí nghiệp chăn nuôi heo ở Việt Nam
 Khảo sát sự biến động về thành phần và tính chất của nước thải chăn

nuôi heo.
 Nghiên cứu tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết và cơ sở thưc tiễn của
quá trình Nitrification và Anammox trong và ngoài nước.
Phương Pháp Nghiên Cứu
 Tạo sự thích nghi cho các vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter và
Anammox trong môi trường chứa bùn thải.
 Xây dựng mô hình, vận hành ở các điệu kiện khác nhau.
 Phân tích các chỉ tiêu hóa lý trong phòng thí nghiệm theo TCVN của
nước thải đầu vào và đầu ra nhằm ổn định các thông số.
 Từ các thông số đưa ra quy trình xử lý thích hợp.
5. Giới Hạn Đề Tài
 Các thí nghiệm và vận hành mô hình Pilot với quy mô 200 – 500 lít/ngày và
thiết bị phản ứng ghép SHARON – ANAMMOX được thực hiện tại Viện Sinh Học
Nhiệt Đới Thành Phố Hồ Chí Minh.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
4
 Nước thải được lấy từ Xí nghiệp heo giống Đông Á, huyện Dĩ An, tỉnh Bình
Dương.
 Nội dung tập trung vào việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox để
khử ammonium trong nước thải Xí nghiệp heo giống Đông Á. Từ đó đề xuất dây
chuyền công nghệ thích hợp để khử ammonium trong nước thải chăn nuôi heo.
6. Địa Điểm - Thời Gian Nghiên Cứu
Địa Điểm
Đề tài này được thực hiện tại Phòng Công Nghệ Biến Đổi Sinh Học và Môi
Trường thuộc Viện Sinh Học Nhiệt Đới (Khu Thực Nghiệm Khoa Học và Công Nghệ
Thủ Đức)
Giới Thiệu Viện Sinh Học Nhiệt Đới
Viện Sinh Học Nhiệt Đới được thành lập theo Nghị định 24/CP của Thủ Tướng
Chính Phủ Nuớc CHXHCN Việt Nam ngày 25/05/1993 và quyết định số

22/KHCNQG, quyết định ngày 19/06/1993 của Ban Giám Đốc Trung tâm Khoa Học
Tự Nhiên và Công Nghệ Quốc Gia đã đuợc Bộ Khoa Học Công Nghệ và Môi Trường
cấp giấy chứng nhận hoạt động Khoa Học Công Nghệ số 260 ngày 30/03/1994
Trụ sở chính của viện được xây dựng tại Thủ Đức và hoàn thành vào cuối năm
1998. Viện có 11 phòng ban, phân viện nghiên cứu tại Đà Lạt có 4 phòng thí nghiệm
chuyên ngành bảo tàng động thực vật Tây Nguyên và đơn vị nghiên cứu triển khai là
Liên Hiệp Khoa Học sản xuất thực nghiệm sinh-hoá
Viện có đội ngũ cán bộ khoa học gồm gần 107 người trong đó có 23 tiến sĩ và
phó tiến sĩ, có 7 giáo sư và phó giáo sư
Viện có nhiệm vụ nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các phương pháp sinh học
trong việc tạo và nhân giống cây trồng, vật nuôi và vi sinh vật đồng thời viện cũng có
nhiệm vụ phân tích các chỉ tiêu trong nước thải, nước uống, nước sinh hoạt…
Thời Gian Nghiên Cứu
Đề tài được thực hiện trong khoảng thời gian từ 01/04/2006 đến 01/11/2006.
7. Y Nghĩa Của Đề Tài
Y Nghĩa Khoa Học
 Đây là đề tài mới được nghiên cứu ở Việt Nam trong những năm gần
đây nên có tính khoa học cao nhằm tạo cho những nghiên cứu tiếp theo và khả năng

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
5
ứng dụng kỹ thuật sinh học kỵ khí, hiếu khí với việc sử dụng nhóm vi khuẩn
Nitrosomonas, Nitrobacter và Anammox, để xử lý nước thải có nồng độ ammonium
cao.
 Các thông số công nghệ thu được từ thực nghiệm sẽ tạo cơ sở ban đầu
cho việc thiết kế quy trình công nghệ xử lý ammonium trong nước thải chăn nuôi
heo.
 Việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox có khả năng xử lý
triệt để nguồn ô nhiễm dạng nitơ trong nước thải, vì sản phẩm cuối cùng của quá
trình là khí nitơ được coi là vô hại đối với hệ sinh thái.

Ý Nghĩa Thực Tiễn
 Sự thành công của đề tài mở ra khả năng ứng dụng trong xử lý nguồn
nước thải giàu ammonium hiệu quả và tiết kiệm
 Vì quá trình diễn ra trong điều kiện sục khí có giới hạn nên giảm tiêu
hao năng lượng một cách đáng kể. Mặt khác không cần phải thêm chất dinh dưỡng
nên có thể tiết kiệm lượng hóa chất lớn
 Sản phẩn cuối cùng của quá trình là khí nitơ không độc hại với môi
trường
Tính Mới Của Đề Tài
 Xác định được khả năng ứng dụng của quá trình Nitrification và
Anammox để khử ammonium trong nước thải chăn nuôi heo
 Xác định được khả năng áp dụng vào công nghệ xử lý nước thải chăn
nuôi heo bằng ứng dụng phản ứng ghép SHARON – ANAMMOX.
8. Tính Thực Tế Của Đề Tài
Đề tài nghiên cứu này có tính ứng dụng rất cao vì trong nước thải ở một số
ngành có nồng độ ammonium cao như: nước thải chăn nuôi heo, nước thải ở các nhà
máy chế biến mủ cao su, nước rỉ rác, nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản….
9. Nhu Cầu Kính Tế Xã Hội
Phương pháp này ít tốn kém nhưng có hiệu quả xử lý cao hơn so với những phương
pháp xử lý hiện nay.




SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
6

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU TRONG NƯỚC –
TỔNG QUAN CHUNG VỀ NƯỚC THẢI, NƯỚC THẢI
CHĂN NUÔI HEO
Trong thời buổi phát triển nền văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng
tăng, do đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều, mức độ ô nhiễm ngày càng trở nên
trầm trọng. Nước thải đưa vào nước bề mặt những thành phần khác nhau, từ trạng
thái tan, hoặc dưới dạng huyền phù, hay nhũ tương cho đến các loại vi khuẩn. Do
tương tác hoá học của các chất đó, và cũng do sự thay đổi pH của môi trường nên các
sản phẩm thứ cấp được hình thành chẳng hạn như quá trình oxy hoá muối Fe
2+
trong
nước thành muối Fe
3+
hydroxyt không tan. Các chất kết tủa và huyền phù trong nước
ngăn cản sự phát triển của các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình làm sạch nước.
Các chất huyền phù ngăn cản sự đâm xuyên của ánh sáng mặt trời xuống đáy nước
gây hạn chế quá trình quang hợp của thực vật nhất là những loại rong biển nhờ vào
ánh sáng mặt trời mà tạo được lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá các chất
hữu cơ. Một số chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước có ảnh hưởng độc hại đến sự
phát triển của vi sinh vật, trong đó có cả những hợp chất mang tính axit bazơ vì
chúng làm thay đổi pH trong nước ( 6.8 < pH < 8.0 làm hạn chế sự phát triển của một
số vi khuẩn làm sạch nước)…[14],[15]
Phân tích nước thải là một trong những nhiệm vụ khó khăn và phức tạp nhất của
ngành hoá học phân tích vì nước thải bao hàm nhiều thành phần khác nhau và chứa

hàm lượng từ thấp đến cao. Một trong những đặc tính của nước thải gây khó khăn
trong phân tích là tính không bền do tương tác hoá học phức tạp giữa các hợp phần bị
biến đổi không ngừng. Do đó trong quá trình phân tích phải thực hiện nhiều lần,

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
7
chọn các phương pháp có độ nhạy, độ chọn lọc cao, và phải có đầu óc phán đoán các
thao tác các quá trình xảy ra để thu được kết quả chính xác.
Sau đây là một số chất thải có mặt trong nước thải của một số ngành sản xuất
công nghiệp.[1]
 Đồ da: canxi, hydrosunfua, natrisunfua, crom, kẽm.
 Đồ gốm: bari, cadimi, liti, mangan…
 Nhà máy sơn: bari, clorat, cadimi, coban, chì, kẽm, amoni, xút, các chất axit,
các chất hữu cơ…
 Thuốc trừ sâu: đồng, bari, asen, silicflo, clo, một số chất độc hữu cơ.
 Hoá dầu: các acid, kim loại, clorua, sunfat, các chất hữu cơ…
 Công nghiệp chăn nuôi: vi sinh, các hợp chất hữu cơ, các vi trùng, COD, NO
3
-
, NO
-
2
, NH
+
4
…
I.1. Sự Nhiễm Bẩn Nguồn Nước
Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể xảy ra bằng hai cách: sự nhiễm bẩn tự nhiên
và sự nhiễm bẩn nhân tạo. [3],[8]
 Sự nhiễm bẩn tự nhiên là do quá trình phát triển và chết đi của các loài thực

vật, động vật có trong nguồn nước, hoặc là do nước mưa lôi theo các chất bẩn
từ trên mặt đất chảy vào nguồn nước.
 Sự nhiễm bẫn nhân tạo chủ yếu là do xả nước sinh hoạt và công nghiệp vào
nguồn nước.
Nguồn nước bị nhiễm bẩn có thể đánh giá bằng các dấu hiệu đặc trưng sau đây.
 Có xuất hiện các chất nổi trên bề mặt nước và các cặn lắng chìm xuống đáy
nguồn.
 Thay đổi tính chất lý học của nước nguồn ( thay đổi pH và hàm lượng của các
chất hữu cơ, vô cơ, xuất hiện các chất độc hại )
 Lượng oxy hoà tan trong nước nguồn do đã tiêu hao để oxy hoá các chất bẩn
hữu cơ vừa mới đưa vào.
 Các vi khuẩn thay đổi về dạng và về số lượng có xuất hiện cả các vi trùng gây
bệnh.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
8
 Nguồn nhiễm bẩn như đã trình bày có ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng
nguồn vào mục đích cấp nước.
I.2. Thành Phần Nước Thải
Sau khi sử dụng cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp nước bị nhiễm bẩn đồng
thời có chứa nhiều vi trùng và các chất độc hại khác. Chúng làm ô nhiễm môi trường.
Vì vậy, nước thải trước khi xả vào sông, hồ ( nguồn nước ) cần phải được xử lý thích
đáng. Mức độ xử lý phụ thuộc vào nồng độ của nước thải: khả năng pha loãng giữa
nước thải và nước nguồn và các yêu cầu về mặt vệ sinh.
Để thiết kế các công trình xử lý nước thải, trước tiên cần phải biết thành phần
của chúng.
Theo trạng thái lý học, các chất bẩn trong nước thải được chia thành 3 nhóm sau
đây:[3]
 Nhóm 1: gồm các chất không tan ở dạng lơ lửng, kích thướt lớn ( những hạt
có đường kính > 10

-1
mm) và ở dạng huyền phù, nhũ tương, bot ( những hạt
có đường kính từ 10
-1
đến 10
-4
mm)
 Nhóm 2: gồm các chất không tan ở dạng keo ( những hạt có kích thướt từ 10
-4

đến 10
-6
mm)
 Nhóm 3 : gồm các chất hòa tan ở dạng hạt phân tử. Những hạt này có đường
kính < 10
-6
mm. Chúng không tạo thành pha riêng biệt và hệ trở thành hệ một
pha hay còn gọi là dung dịch thật.
Theo bản chất của mình, các chất bẩn trong nước bao gồm: các chất bẩn hữu cơ, vô
cơ, vi sinh vật và sinh vật.[11]
 Các chất bẩn vô cơ trong nước thải sinh hoạt chiếm 42%, gồm có cát, các hạt
đất sét, xỉ quặng, các muối khoáng, các acid vô cơ, kiềm vô cơ, các dầu
khoáng…
 Các chất bẩn hữu cơ trong nước thải sinh hoạt chứa 58% gồm các chất hữu cơ
thực vật và hữu cơ động vật.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
9
 Các chất hữu cơ thực vật có trong nước thải sinh hoạt gồm: cặn bã thực vật,
rau hoa quả, giấy…nguyên tố hoá học chính của dạng chất bẩn này là cacbon.

 Các chất hữu cơ động vật có trong nước thải sinh hoạt gồm: các chất bài tiết
của con người và động vật, cặn bã xác động vật…đặc điểm của chúng là chứa
một hàm lượng lớn nitơ.
 Nhiễm bẩn vi sinh vật và vi sinh là do nhiều loại vi sinh vật và sinh vật tạo
nên: các loại nấm men, nấm mốc, rong tảo nhỏ và vi khuẩn. Trong số đó có cả
vi khuẩn gây bệnh. Thí dụ các tác nhân gây bệnh thương hàn, lỵ…dạng chất
bẩn này đặc trưng nhất cho nước thải sinh hoạt và một vài loại nước thải sinh
hoạt khác (ví dụ nước thải xí nghiệp giết mổ gia súc, nhà máy da) về thành
phần hóa học thì chúng thuộc nhóm các chất bẩn hữu cơ.
Khi xét về thành phần của nước thải cần phải hiểu một khái niệm quan trọng là nồng
độ bẩn của nước thải, đó là hàm lượng chất bẩn chứa trong một đơn vị thể tích được
tính bằng (mg/l).
I.3. Vai Trò Của Ngành Chăn Nuôi Heo.
Trong nông nghiệp, chăn nuôi được khẳng định là một ngành kinh tế quan trọng
trong nền kinh tế quốc dân, nó cung cấp một lượng thịt khá lớn cho con người, đó là
loại thức ăn giàu chất đạm không thể thiếu trong khẩu phần ăn của người dân. Vào
năm 1995, lượng thịt tiêu thụ bình quân của một người dân TPHCM là 21kg/năm,
trong đó lượng thịt heo chiếm 70%. Như vậy, lợi nhuận từ chăn nuôi heo có thể đạt
đến 15-20% của đồng vốn đầu tư. Trong những năm gần đây, nhiều giống heo đã
được tạo giống, du nhập từ nước ngoài để tăng năng suất thịt và đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng của người dân.[14]
Chăn nuôi heo là một trong những nghành quan trọng của Thành Phố Hồ Chí
Minh. Nhiều cơ sở chăn nuôi heo trước đây nằm ở các huyện ngoại thành dân cư
thưa thớt nay đã trở thành những khu đông dân cư thuộc nội thành như Xí Nghiệp
chăn nuôi 19/5 nằm tại phường Linh Xuân quận Thủ Đức, Xí Nghiệp chăn nuôi heo
Gò Sao thuộc ấp 7 Thạnh Xuân quận 12, Xí Nghiệp chăn nuôi heo 3 tháng 2 nằm tại
phường Linh Xuân quận Thủ Đức, Xí Nghiệp chăn nuôi heo gia công quận Phú

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
10

Nhuận, xí nghiệp chăn nuôi đồng hiệp nằm tại quận thủ đức. Mỗi xí nghiệp đều nuôi
trên 2.000 heo, mỗi ngày thải ra từ 100 đến 300 m
3
nước thải .Trong những năm tới
để phát triển bền vững sản xuất và không làm ô nhiễm môi trường, Thành Phố Hồ
Chí Minh đã có chủ trương đưa các cơ sở chăn nuôi hiện nay ra các huyện Củ Chi,
Hốc Môn, Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ.
Bên cạnh đó, chăn nuôi được khuyến khích phát triển và tạo điều kiện nâng cao
tỉ trọng chăn nuôi công nghiệp, thực hiện tốt di dời các cơ sở chăn nuôi gây ô nhiễm,
kết hợp với bố trí lại, di chuyển các trại chăn nuôi ra vùng nông nghiệp ổn định lâu
dài, kết hợp với công nghiệp hoá, hiện đại hoá các khâu sản xuất giống, chuồng trại,
thức ăn gia súc, xử lý nước thải…
Sau năm 2000, các cơ sở chăn nuôi công nghiệp được xây dựng chủ yếu ở Củ
Chi và một số vùng nông thôn ở Hóc Môn, Bình Chánh, Thủ Đức, Nhà Bè, Cần Giơ
…(tuỳ đối tượng nuôi và hạn chế tối đa ở các khu dân cư tập trung, vùng đô thị hoá)
và đạt mục tiêu phấn đấu giai đoạn 2000-2010 sẽ cung cấp sản phẩm chăn nuôi cho
khoảng 6 triệu người (hiện ngành chăn nuôi chỉ đáp ứng được 21-37% nhu cầu thịt
cho thành phố).

I.4. Sự Ô Nhiễm Nước Thải Chăn Nuôi Heo
Các đơn vị chăn nuôi công nghiệp hiện nay của TP.HCM phần lớn nằm trong
vùng phát triển đô thị và khu công nghiệp, đang dần bộc lộ rõ các nhược điểm về mặt
bằng hạn hẹp, không đảm bảo vệ sinh thú y theo quy định của pháp lệnh thú y về mặt
không gian và nhất là không có điều kiện xử lý trước khi thải vào môi trường mà
được đổ ra kênh rạch, sông ngòi, đất đai xung quanh làm ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng. (Nội thành TP.HCM đang có nhiều xí nghịêp chăn nuôi heo quy mô
trung bình khoảng trên dưới 2000 đầu heo mỗi xí nghiệp, nước thải trong quá trình
chăn nuôi thải ra môi trường mỗi ngày từ 100 - 300m
3
/xí nghiệp). Do định hướng

chuyển dịch cơ cấu giảm tỉ lệ trồng trọt, tăng tỉ lệ chăn nuôi nên lượng nước thải thải
vào môi trường sẽ ngày càng tăng.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
11
Nước thải chăn nuôi heo là một trong những loại nước thải gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng nhất, là nguồn nước thải không an toàn do chứa hàm lượng các
hợp chất chất hữu cơ khá cao, nhiều chất xơ và hàm lượng cao các hợp chất nitơ, lưu
huỳnh, trứng giun sán…Nguồn nước thải này có nguy cơ trở thành nguyên nhân trực
tiếp phát sinh bệnh cho gia súc đồng thời lây lan một số bệnh cho người do chứa
nhiều mầm bệnh như: Samonella, Leptospira, Clostridium, Bacillus, Fasciolosis,
Buski, Brucella…[2],[14]
Tuỳ thuộc vào điều kiện chăm sóc (số lựơng nước dùng để làm vệ sinh) và thu
dọn chất thải (có lấy bớt một phần phân heo hay không trước khi làm vệ sinh) của
mỗi cơ sở chăn nuôi mà thành phần nước thải khác nhau và đạt dộ dao dộng rất lớn.



Bảng1: Thành phần (trung bình) của nước thải chăn nuôi heo.
Tuỳ vào từng cơ sở chăn nuôi mà thành phần chất thải có khác nhau, nhưng
thường thì nước thải chăn nuôi heo có hàm lượng chất hữu cơ khá cao: SS:180 –
1248 mg/l; COD: 500 – 3000; BOD: 300 – 2100 mg/l; NH
4
+
: 15- 865mg/l;
Escherichia Coli: 15.10
5
– 68,3.10
7
MPN/ 100ml; Steptococcus Faecalis 3.10

2
–
3,5.10
3
MPN/ 100ml; Clostridium Perfringens: 50 – 160 tế bào/ 100ml. Kết quả phân
tích nước rửa chuồng heo của Xí Nghiệp chăn nuôi heo Khang Trang được ghi nhận
ở bảng 2
SS
(mg/l)
COD
(mg/l)
BOD
5
(mg/l)
NH
4
+
(mg/l)
pH Tài liệu

300 -1500

1000-4000




700-2100

865


6,5-7,7



Đ.H.L.Chi et al. 1997
Đỗ Ngọc Quỳnh.1999
Bùi Xuân An et al. 1999

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
12
Bảng 2: Thành phần lý hoá học của nước thải chăn nuôi heo Xí Nghiệp Khang
Trang, Q.12 -Tp.HCM
Mặc dù nước thải chăn nuôi heo gây ô nhiễm môi trường rất lớn nhưng hầu hết
các cơ sở chăn nuôi lớn nhỏ hiện nay đều chưa có hệ thống xử lý thích hợp và hoạt
động thường xuyên có hiệu quả. Nguyên nhân của việc trên là do ý thức của các nhà
quản lý ở các xí nghiệp chăn nuôi chưa coi việc xử lý nước thải là thật sự cần thiết.
Ngành chăn nuôi là một trong những ngành quan trọng ở nước ta nói chung và ở
thành phố nói riêng vì thế vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi heo là một tất yếu phải
làm nhằm phát triển kinh tế bền vững.
I.5. Một Số Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Chăn Nuôi Heo. [3],[5],[12]
Nước thải chăn nuôi heo thường chứa nhiều tạp chất có bản chất khác nhau, vì
vậy mục đích của công nghệ xử lý nước thải là khử các tạp chất đó sao cho nước sau
khi xử lý đạt chất lượng cho phép tái sử dụng, có thể sử dụng được cho một mục đích
nhất định sau đó hay thải ra môi trường xung quanh mà không làm ô nhiễm môi
trường. Để đạt được mục đích đó, trong công nghệ xử lý nước thải bao gồm các

phương pháp cơ bản sau.
I.5.1. Xử Lý Nước Thải Bằng Phương Pháp Cơ Học
Nước thải thường chứa các chất tan hay không tan ở dạng lơ lửng. Để tách các
hạt này ra khỏi nước thải, người ta có thể sử dụng các phương pháp cơ học như lọc
qua song chắn rác, lưới chắn rác, các loại bể lắng, lọc cát và ly tâm. Tuỳ vào kích
Tác nhân ô nhiễm Thành phần trung bình (mg/l)
TS
Cặn lơ lửng (SS)
Cặn hòa tan
BOD
5

COD
Tổng N
Tổng P
3.082
1.248
1.815
1.950
3.400
450
47


SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
13
thước hạt, tính chất hoá - lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước và mức độ làm
sạch cần thiết mà người ta lựa chọn phương pháp thích hợp
I.5.2. Xử Lý Nước Thải Bằng Phương Pháp Hoá - Lý
I.5.2.1. Đông Tụ Và Keo Tụ

Các chất rắn lơ lửng phân tán, các chất keo có kích thước nhỏ hơn 10
-4
mm
không thể tự lắng được hoặc lắng với tốc độ rất chậm có thể được loại bỏ bằng
phương pháp đông tụ và keo tụ
Các chất đông tụ thường dùng là các loại muối nhôm, sắt hay hỗn hợp của
chúng. Ngoài ra, để tăng hiệu suất đông tụ, người ta còn sử dụng thêm các chất trợ
đông tụ. Các chất trợ đông tụ có tác dụng nâng cao tốc độ lắng của các bông keo
đồng thời giảm lượng chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ. Các chất trợ đông tụ có
thể là các polyme tự nhiên như tinh bột, xellulose, dextrin, các polyme tổng hợp như
polyacrylamid, hoặc các chất đông tụ vô cơ như natri, silicat hoạt tính…
I.5.2.2. Tuyển Nổi
Tuyển nổi là phương pháp được sử dụng để tách các tạp chất ở dạng rắn hoặc
lỏng, phân tán không tan, tự lắng kém trong pha lỏng và một số chất hoà tan như các
chất hoạt động bề mặt. Ưu điểm của phương pháp tuyển nổi là có thể loại bỏ các hạt
nhỏ, nhẹ, lắng chậm trong một khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, các thiết bị tuyển
nổi có các mao quản dễ bị bẩn, tắc nghẹt và khó lựa chọn các loại vật liệu để có kích
thước mao quản giống nhau để đảm bảo tạo thành các bọt khí có kích thước đồng
nhất.
I.5.2.3. Hấp Phụ
Được sử dụng để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hoà tan sau
khi xử lý sinh học cũng như xử lý sơ bộ khi trong nước thải có một hàm lượng rất
nhỏ các chất không được phân giải bằng con đường sinh học và thường có độc tính
cao như phenol, alkylbenzen, sulfonic acid… Một số chất hấp phụ được sử dụng phổ
biến là than hoạt tính, các nhựa cao phân tử như scavenger là loại nhựa cenion có độ
xốp lớn
I.5.3. Xử Lý Nước Thải Bằng Phương Pháp Hoá Học

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
14

Đặc trưng là phương pháp oxy-hoá khử
Trong công nghệ xử lý nước thải, người ta có thể sử dụng các chất oxy hoá như
Clo dạng khí hoặc hoá lỏng, Kali-permanganat, H
2
O
2
, Ozon… để làm sạch nước thải
Làm sạch nước thải bằng phương pháp khử được ứng dụng trong các trường
hợp nước thải chứa các hợp chất dễ bị khử. Đặc biệt phương pháp này được sử dụng
rộng rãi để tách các hợp chất thuỷ ngân, crom…ra khỏi nước thải
I.5.4. Xử Lý Nước Thải Bằng Phương Pháp Sinh Học
Phương pháp này thường được dùng để loại các chất phân tán nhỏ, chất keo và
các chất hữu cơ hoà tan (đôi khi có cả một số hợp chất vô cơ) khỏi nước thải.
Nguyên lý của phương pháp này là dựa vào hoạt động sống của các loài vi sinh vật
có khả năng phân huỷ, phá gãy các mạch phân tử của các chất hữu cơ có mạch
cacbon lớn thành các phân tử có mạch cacbon đơn giản hơn nhiều và cuối cùng là tạo
CO
2
(hiếu khí) hoặc CH
4
+CO
2
(yếm khí). Các vi sinh vật, vi khuẩn, tảo, rong rêu là
các chất xúc tác sống. Chúng giúp cho một số quá trình xảy ra trong nước, các phản
ứng có sự tham gia của các hợp chất hữu cơ và các quá trình oxy hoá-khử xảy ra qua
trung gian là vi khuẩn
Các phương trình tổng quát của quá trình oxy hoá sinh hoá nhờ các vi sinh vật
ở điếu kiện hiếu khí:
C
x

H
y
O
z
N + NH
3
+ O
2
vi sinh vật xCO
2
+ (Y-3)/2 H
2
O + NH
3
+ 4H
+
Phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào
C
x
H
y
O
z
N + NH
3
+ O
2
vi sinh vật C
5
H

7
NO
2
+ CO
2
+ 4H
+

Khi trong môi trường thiếu chất dinh dưỡng vi sinh vật tiến hành sự tự oxy hoá các
chất liệu tế bào
C
5
H
7
NO
2
+ 5O
2
vi sinh vật 5CO
2
+ NH
3
+ 2H
2
O + 4H
+
NH
3
+ 2O
2

visinh vật 2HNO
2
+ O
2
vi sinh vật 2HNO
3
I.5.4.1. Xử Lý Nước Thải Bằng Phương Pháp Lên Men Hiếu Khí
Nguyên lý chung của phương pháp này là các vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy
của không khí để phân huỷ các chất hữu cơ thành CO
2
và H
2
O

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
15
Các chất hữu cơ hoà tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ sẽ được chuyển
hoá bằng cách hấp phụ và keo tụ trên bề mặt các tế bào vi sinh vật. Tiếp đó trong quá
trình trao đổi chất dưới tác dụng của các men nội bào, chất hữu cơ sẽ được phân huỷ
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật hiếu khí có thể được
biểu diễn một cách tổng quát như sau:
Các chất hữu cơ + O
2
vi khuẩn CO
2
+ H
2
O + vi khuẩn
Các chất dinh dưỡng
Hoặc

Các chất hữu cơ + O
2
vi khuẩn sản phẩm của + sản phẩm
Các chất dinh dưỡng quá trình oxy hoá đã được tổng hợp
I.5.4.2. Xử Lý Bằng Phương Pháp Lên Men Yếm Khí
Phương pháp xử lý yếm khí là phương pháp sử dụng vi sinh vật yếm khí (ví dụ
như loài vi khuẩn Metbanogens phân huỷ các chất hữu cơ ở điều kiện không có
không khí thành khí metan) để phân huỷ các hợp chất hữu cơ ở điều kiện yếm khí
gồm 2 giai đoạn chính
 Giai đoạn 1: (giai đoạn thuỷ phân) dưới tác dụng của men do vi sinh vật tiết ra,
các hợp chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị thuỷ phân: các cacbon hydrat phức tạp
sẽ thành đường đơn giản, protit sẽ thành peptit phân tử thấp và axit amin, mỡ sẽ
thành glycerin và axit béo
 Giai đoạn 2: (giai đoạn tạo khí) sản phẩm của quá trình thuỷ phân sẽ tiếp tục bị
phân huỷ và tạo sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các loại khí chủ yếu là CO
2
và CH
4
,
ngoài ra còn một ít muối khoáng. Tốc độ và mức độ phân huỷ yếm khí của các chất
hữu cơ phụ thuộc vào bản chất hoá học của chúng
Quá trình phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ được chia ra làm 3 bước như sau:

Bước 1:
Chất có khối thuỷ phân phân tử thích hợp cho vi sinh
lượng phân tử lớn ENZIN sử dụng và xây dựng tế bào
Bước 2:
Các chất sau Acidozens các chất có phân tử lượng thấp

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng

16
bước 1 ENZIN chủ yếu là các acid CH
3
OH,CO
2


Bước 3:
Các chất sau Methanogens CH
4
+ CO
2

bước 2

Bước 1 và 2 có thể xem như là giai đoạn 1 còn bước 3 như là giai đoạn 2
I.5.4.3. Những Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Bằng
Phương Pháp Sinh Học
Trong phương pháp sinh học xử lý nước thải tác nhân là vi sinh học – đó là một
cơ thể sống – do vậy mọi yếu tố ảnh hưởng đến sinh lý của vi sinh vật đều ảnh hưởng
trực tiếp đến hiệu suất xử lý nước thải. Ví dụ ( nhiệt độ, pH, oxy, nồng độ chất, sự
khuấy trộn, lượng vi sinh vật, chất vi lượng, thời gian…)
 Nhiệt độ
Với phương pháp sinh học, nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm sạch
nước thải. Nhiệt độ bình thường trong một năm thường có thể thay đổi trong giới hạn
nước thải nhờ vi sinh vật cũng thay đổi theo. Người ta thấy rằng nhiệt độ hạ từ 20
0
C
xuống từ 2 – 5
0

C đến 25 – 35
0
C, theo sự biến đổi của nhiệt độ, hiệu suất làm sạch
6
0
C sẽ dẫn đến giảm tốc độ làm sạch nước thải xuống 2 lần.
Ngược lại nếu tăng nhiệt độ từ 20
0
C đến 37
0
C thì tốc độ làm sạch nước
thải tăng từ 2 – 3 lần. Tăng nhiệt độ, không những tăng vận tốc phân huỷ chất mà
đồng thời giảm độ hòa tan của oxy trong nước, do vậy đối với quá trình làm sạch
nước thải theo phương pháp hiếu khí cần tăng cường quá trình làm thoáng khí(sục
không khí nhiều hơn). Trong trường hợp giảm nhiệt độ thì ngược lại.
Thông thường đối với vi sinh vật, nhiệt độ phù hợp khoảng từ 20 – 30
0
C
(hay còn gọi là nhiệt độ ấm).
 pH
Nhìn chung các loại vi khuẩn thích hợp trong môi trường trung hoà hay
acid yếu.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
17
Tốt nhất chúng ta cần giữ pH toàn hệ thống dịch làm sạch nước thải cho vi
sinh vật trong vùng pH 5,5 – 8,5 tăng hay giảm pH so với mức này đều làm giảm
hiệu quả làm sạch nước.
Trong thực tế, trong quá trình làm sạch, không cần điều chỉnh pH, vì sinh
vật có khả năng tự điều chỉnh pH cho phù hợp với sinh lý của chúng; ta có thể có hỗn

hợp với pH gần với pH thích hợp vi sinh vật nói trên.
 Nồng độ oxy hoà tan
Đặc biệt quan trọng với phương pháp hiếu khí. Tốc độ oxy hoà tan trong
nước thải phải nhỏ hơn tốc độ sử dụng oxy của hệ vi sinh vật trong hệ thống làm
sạch nước thải (với phương pháp hiếu khí).
Oxy cần thiết cho sinh trưởng phát triển của vi sinh vật, giảm lượng oxy sẽ
làm giảm vận tốc sinh trưởng vi sinh vật và giảm vận tốc làm sạch nước thải.
Với nồng độ oxy khoảng 1mg/l không làm biến đổi vận tốc làm sạch,
nhưng nếu khi nồng độ oxy giảm còn 0,5mg/l thì vận tốc làm sạch sẽ giảm.
Trung bình lượng oxy từ 1 – 5 mg/l phù hợp cho quá trình làm sạch hiếu
khí.
 Khuấy trộn dịch nước thải và tác nhân vi sinh vật.
Sự khuấy trộn hỗn hợp dịch thải và tác nhân mang vi sinh vật đều có ảnh
hưởng tốt đến hiệu quả làm sạch nước thải, phân huỷ nhanh chóng các chất nhiễm
bẩn có trong nước. Do tác động khuấy trộn các phần tử được va chạm nhau, tạo
thành các phần tử nhỏ hơn tăng bề mặt tiếp xúc với vi sinh vật, điều đó làm tăng vận
tốc phân huỷ.
 Một số nguyên tố cần cho dinh dưỡng vi sinh vật.
Ngoài nguồn nguyên liệu cung cấp cacbon, vi sinh vật còn cần Nitơ,
photpho… cho dinh dưỡng của chúng; N và P đều là vật liệu tham gia cấu trúc tế bào
và có vai trò trong trao đổi năng lượng. Không đủ lượng N, P cần thiết thường làm
giảm vận tốc làm sạch – cũng có những loại nước thải có đủ lượng N, P cho vi sinh
vật. Ngoài ra còn cần thêm Mg, K, Na. muối sunfat, Nitratamon, ure, dịch amoniac,
super photphat, Ortophophoric acid…

SVTH:Nguyeón Thanh Huứng
18
Nhng loi nc thi no cú lng N, P quỏ cao cn phi pha loóng nc
thi trc khi x lý vi mc ớch gim nng N, P xung khụng nh hng n
sinh lý bỡnh thng ca vi sinh vt.

I.5.5. X Lý Nc Thi Qua B UASB (B Bựn Hot Tớnh)
Trong b UASB, dũng nc thi hng i qua lp bựn bao gm cỏc ht hỡnh
thnh t quỏ trỡnh sinh hc. Quỏ trỡnh x lý din ra khi nc thi chy vi s tip xỳc
vi cỏc ht bựn l lng, cỏc loi khớ to ra s giỳp hỡnh thnh v n nh cỏc ht sinh
hc ng thi lm cho chỳng ni lờn trờn mt nc, gii phúng khớ vo khoang cha
khớ phớa bờn trờn b cũn dch lng, nc thi cha mt ớt cht l lng v cỏc ht sinh
hc s qua ngn lng, quay tr li h mng ri ri xung lp bựn v dũng nc qua
ct c a ra ngoi vo bỡnh cha sau ú cho qua x lý hiu khớ v thiu khớ



CHNG II. TNG QUAN TI LIU NC NGOI
TNG QUAN V X Lí SINH HC LOI NIT TRONG
NC THI, NITRIFICATION V ANAMMOX.

II.1. M u

i vi nhiu loi nc thi cú cha hm lng cỏc cht dinh dng (N, P)
trung bỡnh v cao, vic x lý loi cỏc thnh phn ny trc khi x thi l mt nhu cu
quan trng, nhm hn ch s ụ nhim nc ngm, nc mt. Nguy c tỏc ng ln
nht khi thi nc thi giu N, P vo cỏc vc nc mt l hin tng phỳ dng
(eutrophication). Hu qu ca phỳ dng l kớch thớch s phỏt trin mnh cỏc loi
to, lm phỏ v chui thc n n nh ca cỏc h sinh thỏi thy vc ngun nhn, gõy
ụ nhim nc (to ra mựi tanh, lm suy gim oxy hũa tan giai on suy tn) v
bi cn cỏc vc nc ny. i vi nit, tiờu chun thi ca Vit Nam TCVN 5945-
1995 quy nh gii hn nng tng nit trong nc thi c phộp thi vo cỏc
vc nc cho cỏc mc ớch s dng khỏc nhau t 30-60 mg/l; cũn trờn gii hn 60
mg/l thỡ khụng c phộp thi vo mụi trng. Cỏc loi nc thi thng cha hm

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng

19
lượng N-NH
4
cao là nước thải thuỷ sản, nước thải rỉ rác, nước thải chăn nuôi
heo,…[15],[16]
Các hệ thống xử lý nước thải bậc 2 thông thường được thiết kế để loại các chất
hữu cơ ( đánh giá qua các thông số BOD
5
, COD ), và chỉ có hiệu quả loại nitơ một
phần. Do vậy, việc lọai nitơ thường phải được tiến hành ở giai đoạn tiếp theo sau –
tức xử lý bậc cao. Công nghệ sinh học truyền thống để xử lý nitơ lâu nay là dựa vào
sự kết hợp của 2 quá trình: nitrat hóa (nitrification) và khử nitrat (denitrification).
Tuy nhiên, công nghệ xử lý truyền thống này có những hạn chế nhất định và sự cải
tiến công nghệ xử lý nitơ đã được quan tâm từ những thập niên cuối thế kỷ XX.
Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng được biết đến trước
đó về cả lý thuyết và thực nghiệm đã được phát hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí
ammonium (Anaerobic Ammonium Oxidation, viết tắt là Anammox) – trong đó
ammonium được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất
hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử [20]. Sự phát hiện phản ứng Anammox đã mở ra
các hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với các nước thải có hàm
lượng nitơ cao. Trong vòng 2 thập niên qua, đã bùng nổ các nghiên cứu liên quan
đến anammox và ứng dụng của nó. Trên bình diện lý thuyết, chu trình nitơ tự nhiên
trong sách giáo khoa đã được bổ sung một mắc xích mới, còn trên bình diện công
nghệ, đã có nhà máy xử lý nitơ phi truyền thống được xây dựng và vận hành.
Tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước, nhận thấy rằng ngoài chu trình
biến đổi nitơ thông thường còn có sự biến đổi kỵ khí trong quá trình oxy hóa
ammonium với sự có mặt của một chủng vi sinh vật tự dưỡng (Anammox) đồng thời
nitrate đóng vai trò chất nhận điện tử. Theo vòng chuyển hóa dưới đây: bùn đỏ được
phân lập từ bùn hoạt tính bể kỵ khí của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo (Xí
nghiệp heo giống Đông Á, huyện Dĩ An, Tỉnh Bình Dương). Bùn này có khả năng

làm giảm nồng độ N-NH
4
và N-NO
2
và cho ra N
2
và N-NO
3
trong điều kiện kỵ khí
không cần ánh sáng. Theo phương trính Van de Graaf et al.,1995 và Strous et al.,
1997 đã đưa ra với cơ chế sẽ trình bày dưới đây

NH
4
+
+ 1.32 NO
2
-
+ 0.66HCO
3
-
+ 0.13 H
+
1.02N
2
+ 0.26 NO
3
-
+
0.066CH

2
O
0.5
N
0.15
+ 2.03 H
2
O

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
20

II.2. Tổng Quan Về Tình Hình Nghiên Cứu Ammonium Trên Thế Giới
Quá trình nghiên cứu ammonium trong nước thải đã được nghiên cứu rất nhiều
cả trong và ngoài nước, bằnng nhiều phương pháp khác nhau được thể hiện ở dưới
bảng 3 và 4.[21],[25]
Bảng 3:Anh hưởng của các công nghệ xử lý khác nhau đến các hợp chất Nitơ

Tác động hoặc cộng nghệ
xử lý
Các hợp chất hữu cơ Khử nitơ
tổng số của
toàn bộ quá
trình (%)
Nitơ hữu cơ NH
3
,N-NH
4
N-NO
3

Công nghệ sinh học

Trong vi khuẩn đồng hóa 0 40 – 70 %
Phản nitrate 0 0
Thu hoạch tảo NH
3
, N-NH
4

Tế bào Tế bào
Nitrate hóa Giới hạn N-NO
3

0
Ao oxy hóa NH
3
, N-NH
4

Một ít do khí
đẩy
Nitrite và
denitrite
20 – 90
Công nghệ hóa học

Khử bằng chlor Không chắc
chắn
90 – 100 % 0 80 – 95
Hấp phụ bằng cacbon 30 – 50 % Ít Ít 10 – 20

Trao đổi ion với nitrate Nhẹ Nhẹ 75 – 90 %

70 – 90
Tác dụng vật lý

Lọc 30 – 90 % Nhẹ Nhẹ 20 – 40
Đuổi khí 0 60 – 90 % 0 50 – 90
Điện ly 100% 30 – 50 % 30 – 50 %

40 – 50
Bảng 4: Ưu và khuyết điểm của các công nghệ xử lý khác nhau đến ammonium

Công nghệ xử lý ammonium

Ưu điểm Khuyết điểm
Tác dụng vật lý Công nghệ đơn giản (cổ điển) Hiệu suất không cao
Công nghệ hóa học Hiệu suất cao Chi phí vận hành
cao, gây ô nhiễm thư
cấp
Công nghệ sinh học
Hiếu khí và thiếu khí Diện tích nhỏ Chi phí ban đầu cao,
tốn năng lượng
Ao thực vật thủy sinh Công nghệ đơn giản (cổ điển) Diện tích lớn, phải
chon lọc hệ thực vật
thủy sinh
Kỵ khí Diện tích rất nhỏ, chi phí đầu
tư thấp, hiệu suất cao
Nhóm vi khuẩn phát
triển chậm

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
21
Ammonium được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng các quá
trình trên chỉ xử lý ammonium ở tải trọng trung bình. Còn với công nghệ mới
(Anammox) thì quá trình xử lý đơn giản hơn, ít tốn năng lượng.
II.2.1. Tác Hại Của Việc Xả Bỏ Ammonium Vào Môi Trường [1],[2],[20]
Ammonium và muối ammonium là độc tố đối với cá, với nồng độ rất nhỏ từ 1.2
– 2 ppm cũng có thể làm chết cá. Nồng độ ammonium trong nước nuôi cá phải nhỏ
hơn 1.2 ppm. Cá có thể chịu được nồng độ urê cao 1600 ppm. Nhưng trong điều kiện
kỵ khí đối với nồng độ urê nhỏ lại độc đối với cá và vi sinh vật vì ở điều kiện đó urê
phân hủy thành ammoniac và khí cacbonic tự do. Các amin cũng gây độc tố đối với
các loài thủy sinh và còn làm tăng nhu cầu oxy và clo. Vì thế đối với nguồn có nồng
độ amin và nitơ dạng ammonium cao thì trong xử lý nước cần lượng clo lớn và thời
gian tiếp xúc khử trùng phải lâu hơn.
Các hợp chất photphat và nitơ có trong nước với nồng độ cao gây nên hiện
tượng phú dưỡng trong các sông, hồ. Hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước là hiện
tượng các loại rong tảo trong nước phát triển quá mức do có sự dư thừa về chất dinh
dưỡng, mà cụ thể đó là các hợp chất của nitơ và photpho. Khi các loài rong tảo ấy
phát triển mạnh sẽ dẫn đến sự bao phủ mặt nước làm cho các loài sinh vật biển khác
thiếu không khí dẫn đến ngộ độc. Mặt khác chúng hô hấp vào ban ngày cũng gây nên
sự thiếu hụt oxy. Các loại sinh vật nhạy cảm với oxy sẽ bị chết và dẫn đến sự mất
cân bằng sinh thái
Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hưu cơ, ammonium hoặc NH
4
OH , thì
chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH
3
sẽ gây độc đối với cá và các sinh vật khác trong
nước
Nếu trong nước có các hợp chất N chủ yếu là nitrite (NO

2
) thì chứng tỏ nước
đã bị ô nhiễm một thới gian dài hơn vì muối ammonium đã bị oxy hóa thành nitrite
Nếu trong nước có các hợp chất N chủ yếu là nitrate (NO
3
) thì chứng tỏ quá
trình phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở
điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bị khử thành N
2
O, NO và nitơ phân tử
tách khỏi nước bay vào không khí. Nếu nitrate ở trong nước cao có thể gây độc đối
với người (vì khi vào cơ thể, với điều kiện thích hợp ở đường tiêu hóa, nitrate sẽ biến

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
22
thành nitrite chất này sẽ kết hợp với hồng cầu thành chất không vận chuyển oxy, gây
bệnh thiếu máu)
Ammoniac(NH
3
) trong nước tồn tại ở dạng NH
3
và NH
4
+
(NH
4
OH, NH
4
NO
3

,
(NH
4
)
2
SO
4
… ) tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một bazơ yếu . NH
3
hoặc NH
4
+

có trong nước cùng với photphat thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước. Tính độc
của ammoniac cao hơn ion ammonium. Với nồng độ 0.01 mg/l NH
3
đã gây độc cho
cá qua đường máu: nồng độ từ 0.2 – 0.5 mg/l đã gây độc cấp tính.
Trong nước mặt tự nhiên, vùng không ô nhiễm có hàm lượng ammonium nhỏ
hơn 0.05 ppm; trong nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm và một số ngành
công nghiệp khác có hàm lượng ammonium từ 10 đến vài trăm mg/l.
Ơ Hà Lan quy định hàm lượng ammonium trong nước mặt trên 5 mg/l là nước ô
nhiễm nặng. FAO quy định cho nước nuôi cá có nồng độ ammonium không vượt quá
0.2 mg/l đối với cá Salmonid ( cá hồi) và 0.8 mg/l đối với họ cá Cyprinid (cá chép)
Nitrate (NO
3
) là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu
cơ chứa N có trong chất thải của người, động vật và thực vật.
Trong nước tự nhiên nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5 mg/l: vùng bị ô nhiễm
do chất thải hoặc phân bón hóa học thì hàm lượng nitrate trong nước trên 10 mg/l,

làm cho rong tảo dẽ phát triển gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước sinh hoạt và
nuôi trồng thủy sản.
Bản thân nitrate không phải là chất có độ tính, nhưng ở trong cơ thể nó bị
chuyển hóa thành nitrite (NO
2
) rồi kết hợp với một số chất khác có thể tạo thành các
hợp chất nitrozo là chất có khả năng gây ung thư.
Hàm lượng nitrate (NO
3
) trong nước cao, nếu uống phải sẽ gây bệnh thiếu máu,
làm trẻ xanh xao (bệnh methaemoglobinaemia, blue baby) do chức năng của
haemoglobin bị giảm. Nguyên nhân làm giảm chức năng của haemoglobin là do
lượng nitrate tăng trong cơ thể.
Theo quy định của WHO, nitrate có trong nước uống không quá 10mg/l (tính
theo N) hoặc 45mg/l (tính theo NO
3
) [16],[19]
II.3. Tổng Quan Về Kỹ Thuật Xử Lý Nitơ Truyền Thống
Các hệ thống xử lý nitơ truyền thống dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn nitrat hóa
(nitrification) và denitrat hóa (denitrification).[20],[22]

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
23
II.3.1. Quá Trình Nitrate Hóa
Ở giai đoạn nitrat hóa, Ammonium trong nước thải được oxi hóa đến nitrat qua
2 bước nitrit hóa (nitritation) và oxy hóa nitrit (nitratation). Đây là giai đoạn xảy ra
trong điều kiện hiếu khí. Các phản ứng được mô tả như sau:
2NH
4
+

+ 3O
2
2NO
2
-
+ 4H
+
+ 2H
2
O (1)
2NO
2
-
+ O
2
2NO
3
-
(2)

NH
4
+
+ 2O
2
NO
3
-
+ 2H
+

+ H
2
O (3)
Nếu tính đến sự đồng hóa nitơ cho sinh trưởng tế bào vi khuẩn, phản ứng tổng
thể của giai đoạn nitrat hóa được viết [27]
NH
4
+
+ 1.83 O
2
+ 1.98 HCO
3
-
0.021 C
5
H
7
NO
2
+ 0.98 NO
3
-

+ 1.041 H
2
O + 1.88 H
2
CO
3
(4)

Vi sinh vật đóng vai trò trong phản ứng (1), thường gọi là các AOB
(Ammonium Oxidizing Bacteria), được biết chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi
Nitrosomonas và một số chi khác như Nitrosococcus, Nitrosospria, Nitrosolobus
 Chi Nitrosomonas: tế bào hình elip hay hình quy ngắn, di động hoặc không, đứng
riêng rễ, thành đôi hay thành chuỗi, gram âm, có màng tế bào chất tách ra thành túi
khí ở phần giữa của tế bào chất. Dinh dưỡng hóa năng vô cơ bắt buộc, oxy hóa NH
4
+

thành NO
2
-
, dùng quá trình cố định CO
2
để thỏa mãn nhu cầu về năng lượng và về
nguồn thức ăn cacbon.
Phát triển ở những chỗ nước ngọt hoặc nước biển có chứa nhiều NH
4
+
hoặc
nhiều các muối vô cơ. Không cần sử dụng các chất sinh trưởng hữu cơ, biên độ nhiệt
độ phát triển được là 5 – 30
o
C, pH thích hợp là 5.5 – 8.5. Lượng chứa G+X trong
AND vào khoảng 47.4 – 51.0% phân tử. Chỉ có một loài là Nitrosomonas europana.
 Chi Nitrosospira : tế bào hình xoắn, gram âm, di động hoặc không, chu mao, tự
dưỡng hóa năng bắt buộc, hiếu khí bắt buộc, biên độ nhiệt độ phát triển được là 15 –
30
o
C, pH thích hợp là 6.5 – 8.5. Lượng chứa G+X trong AND vào khoảng 54.1%

phân tử. Phát triển ở nước ngọt, không cần sử dụng các chất sinh trưởng hữu cơ.
 Chi Nitrosococcus : tế bào hình cầu, gram âm, di động hoặc không di động, đứng
riêng rẽ, thành đôi hay thành bốn tế bào, tự dưỡng hóa năng bắt buộc. Phát triển ở
nước ngọt hay ở nước mặn giàu ammonium và muối vô cơ, không cần sử dụng các

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
24
chất sinh trưởng hữu cơ. biên độ nhiệt độ phát triển được là 2 – 30
o
C, pH thích hợp
là 6.0 – 8.0. Lượng chứa G+X trong AND là vào khoảng 50.5 - 51.0% phân tử
 Chi Nitrosolobus : tế bào đa hình thái, có khi có thùy, phân cắt theo phương pháp
co thắt lại, gram âm, di động, chu mao, tế bào bị ngăn cách ra do sự lõm vào của
màng nguyên sinh chất, di động, chu mao, tự dưỡng hóa năng bắt buộc, hiếu khí bắt
buộc, không cần chất sinh trưởng hữu cơ. biên độ nhiệt độ phát triển được là 15 –
30
o
C, pH thích hợp là 6.0 – 8.2. Lượng chứa G+X trong AND là vào khoảng 53.6 -
55.1% phân tử
Tương tự, các NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria) liên quan trong phản ứng (2)
chủ yếu là vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, và một số chi khác như Nitrococcus, và
Nitrospira được phát hiện thêm sau này (Suwa et al., 1994; Schramm et al., 1998;).
 Chi Nitrobacter : tế bào hình que ngắn thường có hình cái nêm hay hình quả lê,
sinh sản theo kiểu nẩy chồi, có thể có những lớp màng tế bào chất bao bọc một đầu
trông như hình cái mũ len. Thường không di động, 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 – 40
o
C, pH thích hợp là 6.5 – 8.5. Lượng
chứa G+X trong AND là vào khoảng 60.7 - 61.7% phân tử

 Chi 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 – 30
o
C, pH
thích hợp là 7.0 – 8.0. Lượng chứa G+X trong AND là vào khoảng 57.7% phân tử
 Chi 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 – 30
o
C, 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 28
o
C), AOB có ái lực oxy thấp
hơn các NOB (0.63 mg O
2
/l so với 1.32mg O
2
/l) nên ở điều kiện oxy hạn chế, AOB
sẽ chiếm ưu thế (Jayamohan et al., 1988).

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng
25
II.3.1.1. Động Học Của Quá Trình Nitrate Hóa. [20], [22]
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 ammonium thành nitrite bởi

Nitrosomonas
Phương trình sau đây mô tả sự tăng trưởng theo Monod

)2.7)()()((
)15(098.0
2
pHe
DOK
DO
NK
N
T
ON
NN
Max






Trong đó :
Tốc độ tăng trưởng, riêng (ngày
-1
)
Tốc độ tăng trưởng cực đại (ngày
-1
)
N=[NH
4

+
]:nồng độ NH
4
+
, mg/l
K
N
:hằng số bán bão hòa của NH
4
+
,mg/l
[DO] : nồng độ oxy hòa tan, mg/l
K
o
:hằng số bán tốc độ của oxy , mg/l
K
o
: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 µ
max
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.
II.3.1.2. Các Điều Kiện Tối Ưu Cho Quá Trình Nitrate Hóa
 Khoảng pH cho phép, (95% nitrate hóa) 7.2 – 8.4
 Nhiệt độ cho phép (95% nitrate hóa ),
o
C 15 - 35
 Nhiệt độ tối ưu
o
C, (ước tính) 30