hoàn thiện thiết bị lọc nước khử nitơ liên kết trong nước ăn uống

Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Lời cảm ơn
Thực tập tốt nghiệp đợc thực hiện tại phòng Quang Sinh Học Viện Công
Nghệ Sinh Học Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Thị Tố Uyên, PGS. TSKH Trần Văn Nhị
và tập thể các cán bộ nghiên cứu phòng Quang Sinh Học
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đạo và các thầy, cô khoa Công
Nghệ Sinh Học Viện Đại Học Mở Hà Nội
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm của gia đình và bạn bè
trong thời gian vừa qua đã giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoàn thành báo cáo
này
Hà nội, ngày 29 tháng 3 năm 2007

Sinh viên
Trần Quốc Tuấn
Mục lục
trang
Mở đầu 3
Phần I : Tổng quan tài liệu
I Sự ô nhiễm các nguồn nớc
1 Đặc điểm phân loại nớc
2 Các hợp chất hữu cơ
3 Các hợp chất vô cơ
1
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn

II Các phơng pháp khử nitơ liên kết trong nớc
1 Phơng pháp lý học
2 Phơng pháp hoá học
3 Phơng pháp sinh học
3.1 Cơ sỏ lý thuyết của phơng pháp sinh học

3.2Các phơng pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết
Phần II : Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu
I Vật liệu
1 Đối tợng nghiên cứu
2 Dụng cụ và hoá chất
II Phơng pháp nghiên cứu
1 Phơng pháp xác định hàm lợng NH
4
+
2 Phơng pháp xác định hàm lợng NO
2
-

3Phơng pháp xác định hàm lợng NO
3
-
Phần III Kết quả nghiên cứu
I Những cải tiến mới
II Cấu tạo của thiết bị NIREF
III Lắp đặt thực tế
IV Kết quả đạt đợc
Phần IV Kết luận và kiến nghị

Mở đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, sự phát triển của ngành công
nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và sự gia tăng dân số là những
nguyên nhân gây ô nhiễm môi trờng nhất là môi trờng nớc. Sự ô nhiễm
môi trờng này ảnh hởng trực tiếp đến sức khoẻ cộng đồng và tác hại đến
hệ sinh thái. Vì vậy vấn đề giám sát và quản lý môi trờng và xử lý làm sạch
môi trờng đợc đặc biệt chú trọng và đợc xem là một trong những nhiệm

vụ cấp bách hàng đầu của các Quốc gia trên thế giới.
2
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- Việt nam có nguồn tài nguyên nớc dồi dào nhng sự suy giảm chất
lợng nớc mặt và nớc ngầm đang gia tăng ở nhiều nơi. Nguyên nhân của
hiện tợng này là do sự ô nhiễm môi tròng do một lợng lớn phế thải sản
xuất, sinh hoạt trực tiếp cho ra môi trờng mà không qua xử lý. Các nguồn n-
ớc thải loại này có hàm lợng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ rất cao. Các chất
này đợc vi sinh vật phân huỷ tạo thành các sản phẩm trung gian nh: NH
4
+
,
NO
2
-
, NO
3
-
đợc gọi chung là nitơ liên kết
- Sự lạm dụng quá nhiều phân đạm hoá học trong sản xuất nông nghiệp cũng
là nguyên nhân làm gia tăng hàm lợng nitơ liên kết trong các tầng nớc mặt và
nớc ngầm. Nguồn nớc này đợc các nhà máy nớc và các hộ gia đình khai thác
để sử dụng làm nớc sinh hoạt (kể cả cho mục đích ăn uống) đã ảnh hởng rất
lớn đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt là trẻ em và phụ nữ mang thai.
- Hiện nay, nhiều phơng pháp và quy trình xử lý phù hợp với từng nguồn
nớc thải khác nhau đang đợc áp dụng rộng rãi nh : Phơng pháp cơ
học,hoá học, phơng pháp sinh học. Do có những u việt hơn hẳn so với các
phơng pháp khác, phơng pháp sinh học ngày càng đợc áp dụng rộng rãi.
Trong các phơng pháp sinh học, xử lý nớc thải bằng vi sinh vật là phơng
pháp dễ tiến hành, thiết bị đơn giản có hiệu quả cao nhờ vi sinh vật có khả

năng tự điều chỉnh có thể sử dụng và chuyển hoá nhiều loại hợp chất hữu

cơ độc hại thành sản phẩm vô hại.
- Gần đây việc xử lý nitơ liên kết trong nguồn nớc sinh hoạt trong những
năm gần đây rất đợc chú trọng, đã có nhiều công trình nghiên cứu và có kết
3
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
quả rất khả quan. Tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công
thiết bị khử nitơ liên kết trong nớc ăn uống bằng kỹ thuật sinh học. Mặc dù
đang đợc áp dụng vào thực tế cuộc sống nhng việc hoàn thiện công nghệ
và tối u hoá cấu tạo thiết bị còn phải đợc tiếp tục. Do đó chúng tôi đã tiến
hành nghiên cứu : Hoàn thiện thiết bị lọc nớckhử nitơ liên kết trong
nớc ăn uống "


4
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
PHầN 1: TổNG QUAN TàI LIệU
I. Sự ô nhiễm các nguồn nớc
1. Đặc điểm và phân loại nớc thải
- Nớc là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là nhu cầu thiết yếu cho mọi
sinh vật. Không có nớc cuộc sống của con ngời trên trái đất không tồn tại
đợc.Nhng nguồn nớc cấp cho mọi nhu cầu sinh hoạt và giải trí cho
con ngời chỉ có hạn. Lợng nớc ngọt có thể sử dụng đợc chỉ chiếm
khoảng 0.26% lợng nớc toàn trái đất, trong số đó chỉ có 1/3 lợng nớc
này có khả năng sử dụng cho mục tiêu sản xuất nớc sạch. Trong vài thập kỷ
gần đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm thay đổi nền kinh tế và
đời sống con ngời đợc nâng cao, bên cạnh đó cũng làm suy thoái và cạn
kiệt các nguồn nớc cấp cho sinh hoạt.Phần lớn lợng phế thải công nghiệp,
nông nghiệp và sinh hoạt của con ngời xả trực tiếp vào các nguồn nớc

không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm nặng.
- Có ba loại nớc thải chủ yếu
+ Nứơc thải sinh hoạt : là loại phổ biến, có nguồn gốc từ những sinh hoạt
khác nhau của con ngời, từ các bệnh viện, hàng ăn và các chất thải của
con ngời Nớc thải loại này chứa hàm lợng các chất hữu cơ rất cao.
+ Nớc thải công nghiệp: là loại chứa nhiều chất vô cơ, kim loại, hữu cơ
Điều quan trọng là chúng thờng chứa nhiều chất gây độc đối vối sinh vật.
Loại nớc thải này có nguồn gốc từ những nhà máy, những sản phẩm thừa,
cũ, hỏng hoặc không thể sử dụng đợc và chất thải độc hại từ các quá trình
5
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
sản xuất công nghiệp
2. Các hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ có trong nớc thải thờng đợc chia làm hai loại :Loại khó
phân huỷ và loại dễ phân huỷ. Lợng hữu cơ dễ phân huỷ đợc đánh giá theo
chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD). Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD
5
) là lợng
oxy tiêu tốn nhờ vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ có trong nớc trong
thời gian 5 ngày ở 20
o
C. COD: nhu cầu oxy hoá học dùng để oxy hoá toàn
bộ chất hữu cơ và các gốc khử có trong nớc thải . Do vậy tỉ số COD/BOD
luôn lớn hơn 1
3. Các hợp chất vô cơ
Các hợp chất vô cơ có nồng độ khá cao trong nớc thải khu dân c nh Cl
-
,
SO
4

2-
, PO
4
3-
, Na
+
, K
+
và trong nứơc thải công nghiệp nh kim loại có độc
tính cao nh: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr
- Nớc thải còn chứa nhiều hợp chất vô cơ chứa nitơ nh: NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-

Trong hệ thuỷ sinh các hợp chất hữu cơ này tăng cờng sinh trởng, nhiều loài
rong tảo phát triển và sự tích tụ rồi phân huỷ sinh khối của chúng gây ô
nhiễm môi trờng nuôi
- Sự ô nhiễm nitơ liên kết nguồn nớc mặt do phế thải sinh hoạt và sản xuất
đã tác động trực tiếp đến chất lợng nguồn nớc ngầm. Tại Hà Nội, kết quả báo
cáo chất lợng nớc của Bộ xây dựng, Công ty t vấn cấp thoát nớc và môi trờng
Việt Nam cho chất lợng nhiều nguồn nớc ngầm ngày càng bị suy giảm
nghiêm trọng.Nớc từ nhiều nhà máy nớc chứa một hàm lợng NH
4
+

lớn nh nhà
6
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
máy nớc Pháp Vân hàm lợng NH
4
+
lên đến 60 mg/l, nhà máy nớc Tơng Mai
là 30 mg/l và nhà máy nớc Yên Phụ là 20 mg/l ( 9 ) .
- Amoni(NH
4
+
)thực ra không qúa độc đối với con ngời nh đối với nhiều thuỷ
động vật nhng trong quá trình khai thác, xử lý, lu trữ chúng bị
chuyển hoá thành nitrit. Hàm lợng nitrit cao trong nớc uống sẽ gây bệnh đ-
ờng hô hấp ( methemoglobinemia (bệnh xanh da)) ở trẻ em. NO
2
-
có thể kết
hợp với axit amincó trong thức ăn để tạo ra hợp chất nitrosamin sản phẩm
này có thể gây bệnh ung th cho con ngời, vì vậy ngời ta đã tìm nhiều biện
pháp loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nớc sinh hoạt
II. Các phơng pháp khử nitơ liên kết trong nớc
Để loại bỏ hợp chất nitơ, ngời ta có thể sủ dụng nhiều phơng pháp nh phơng
pháp lý học, phơng pháp hoá học, sinh học. Chúng có những u nhợc điểm
riêng và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau.
1. Phơng pháp lý học( 19)
- Trong phơng pháp lý học ngời ta thờng loại bỏ amôn ở dạng khí dễ bay hơi
(NH
3
), bằng cách thổi khí .Để chuyển hoá mạnh amôn thành dạng khí ngời

ta nấy pH nớc khoảng 10,5-11,5.
- Ưu nhợc điểm của quá trình :
Ưu điểm :
+ Có thể kiểm soát đợc quá trình
+ Kỹ thuật đơn giản
Nhợc điểm
+ Trong môi trờng nớc Nitơ liên kết không chỉ tồn tại ở dạng NH
4
+
mà
7
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
nó còn tồn tại dới dạng NO
2
-
, NO
3
-
. Bằng phơng pháp này không thể giảm
thiểu đợc các hợp này
+ Quá trình chuyển hoá NH
4
+
thành NH
3
và giải phóng vào không khí dẫn
đến ô nhiễm không khí
2. Phơng pháp hoá học (19)
Để xử lý nớc chứa Nitơ liên kết bằng phơng pháp hoá học ngời ta sử dụng
các phơng pháp nh: Phơng pháp clo hoá, phơng pháp trao đổi ion.

2.1 Phơng pháp Clo hoá (19)
Nguyên tắc
Sử dụng chất oxy hoá mạnh nh :Clo, Ozon, Cloramin, KMnO
4
để oxy hoá
amoni thành Nitrit, Nitrat .
Khi sử dụng Clo quá trình này diễn ra nh sau :
Cl
2
+ H
2
O = HClO + HCl (1)
(hypoclorit)
Amonia trong nớc sẽ tác dụng với HClO tạo nitơ phân tử bay vào không khí
2 NH
3
+ 3 HClO = N
2
+ 3 H
2
O + 3 HCl (2)
- Tuy nhiên, để phản ứng (2) xảy ra thì tỉ lệ Cl
2
/NH
4
+
(về khối lợng g/g)
phải đạt tới 7,6, do đó chuyển hoá 1mg NH
3
phải cần ít nhất 8 mg Clo. Nh

vậy khi sử dụng phơng pháp này, ngời ta cần dùng một lợng lớn Clo.
- Ưu nhợc điểm của quá trình :
Ưu điểm
+ Quá trình này có thể kiểm soát đợc, tất cả lợng N-NH
3
đều có thể đợc
oxy hoá hết.
8
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
+ Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nớc
+ Không tốn diện tích mặt bằng
Nhợc điểm
+ Chi phí vận hành cao
+ Còn tồn tại một lợng lớn Clo d và hợp chất Clo là nguyên nhân gây
độc với con ngời và sinh vật thuỷ sinh
+ Quá trình phụ thuộc nhiều vào độ pH, liều lợng Clo sử dụng
+Trong quá trình xử lý một lợng trihalomethane tạo thành ảnh hởng đến
chất lợng nớc cấp
+ Cần phải kiểm soát chặt chẽ độ pH để tránh sự tạo thành khí NCl
3
+ Không khử đợc nitơ dạng NO
2
-
và NO
3
-
2.2 Phơng pháp trao đổi ion (19)
Nguyên tắc
Nớc cần xử lý đi qua bề mặt nhựa trao đổi này(loại cationit).NH
4

+
đợc hấp
thụ lên bề mặt hạt nhựa đó. Để hoàn nguyên vật liệu này cần sử dụng một số
iôn khác đẩy NH
4
+
ra, thông thờng ngời ta sử dụng HCl loãng Phơng pháp
này hiện nay đợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý nớc cấp.
Ngày nay ngời ta đã chế tạo ra một loại nhựa nhân tạo để xủ lý nớc ngầm có
nồng độ NO
3
-
cao theo nguyên lý sau: Nớc ngầm đợc bơm lên từ giếng vào
bể chứa trung gian. Sau đó nớc đợc bơm qua bể áp lực để loại bỏ cặn
9
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
bẩn ở dạng keo Hydroxit- Fe, Al Nớc đợc dẫn chẩy qua cột trao đổi ion
(loại anionit). Tại đây xẩy ra quá trình trao đổi ion NO
3
-
với Clo ở lớp khuếch
tán của hạt nhựa. Kết quả là NO
3
-
bị giữ lại trên bề mặt nhựa và nớc sau khi
đi qua cột trao đổi ion sẽ có hàm lợng NO
3
-
đạt yêu cầu dùng cho nớc ăn
uống

Hình 1: Sơ đồ của quá trình xử lý NO
3
-
cao trong nớc ngầm
Ưu điểm
+ Dễ dàng kiểm soát quá trình
+ Điều kiện vận hành đơn giản
+ Đạt hiệu quả cao
+ Có thể tái sử dụng nhựa trao đổi bằng cách ngâm nhựa trong dung dịch
muối ăn bão hoà để giải hấp phụ.
Nhợc điểm
+ Chi phí vận hành cao
+ Sự tích tụ quá nhiều các cation sẽ làm giảm tốc độ loại bỏ
+ Không áp dụng đợc cho nguồn nớc có nhiều cặn lơ lửng
3. Phơng pháp sinh học để loại bỏ nitơ liên kết trong nớc
3.1 Cơ sở lý thuyết của các phơng pháp sinh học
3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên
N ớc vào
Bể
chứa
trun
g
gian
Bể lọc áp
lực
Cột
trao
đổi
anion
N ớc ra

10
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Sơ đồ dời đây biểu diễn sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên dới tác động của
sinh vật
Hình 2: chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên
Trong chu trình chuyển hoá này, các cơ thể thực vật, vi khuẩn có khả năng
sử dụng(đồng hoá) nhiều dạng nitơ liên kết để sinh trởng và phát triển.
Các vi khuẩn nitrat hoá và phản nitrat hoá trong tự nhiên chuyển hoá các
hợp chất nitơ vô cơ thành N
2
.Nitơ phân tử(N
2
) lại đợc nhiều loại vi khuẩn cố
định để chuyển thành NH
4
+
và nh vậy chu trình đợc khép kín. Chính các cơ
thể sống này là một trong những tác nhân làm sạch nguồn nớc trong thiên
nhiên khỏi hợp chất chứa nitơ.
11
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
3.1.2 Quá trình amôn hoá
- Đây là quá trình chuyển hoá hợp chất nitơ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ,
qúa trình này đợc thực hiện nhờ các vi sinh vật nh vi khuẩn, xạ khuẩn ,
nấm. Dới tác dụng của các vi sinh vật, protein sẽ chuyển thành các chuỗi
peptit và các amino acid, các amino acid này sẽ biến đổi và tạo thành acid và
NH
4
theo cơ chế sau:
R-CH(NH

2
)-COOH + 0.5O
2
R-CO-COOH + NH
4
+
(amino acid) (keto acid)
R-CH(NH
4
)-COOH + 2H
+
R-CH
2
-COOH + NH
4
+
(amino acid) (acid)
3.1.3 Quá trình đồng hoá nitơ liên kết ở thực vật
- Thực vật thủy sinh, đặc biệt là tảo đơn bào sử dụng NH
4
+
, CO
2
và các chất
vô cơ khác để tổng hợp sinh khối. Ngoài ra tảo còn tiếp nhận năng lợng ánh
sáng mặt trời để tổng hợp các hợp chất hữu cơ và giải phóng oxy. Quá trình
đồng hoá amoni của tảo tiêu tốn cacbon hidrat dự trữ trong tế bào và amoni
đợc chuyển sang dạng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ
- Một số enzyme tham gia vào quá trình đồng hoá amôn ở tảo nh sau:
+ Enzyme glutamin dehydrogenaza (GDH)

Axit

- glutaric + NH
3
+ NAD(P)H + H
+
+ GDH Axit glutamic + H
2
O
+ Enzyme glutamic syntheaza(GS)
Axit glutamic +NH
3
+ ATP + GS Glutamin + ADP + P
i

3.1.4 Quá trình nitrat hoá
Là quá trình chuyển hoá amoni thành nitrat dới tác dụng của enzyme
12
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
amon monoxygenaza của các vi khuẩn. Quá trình này gồm hai giai đoạn oxy
hoá amôn (nitrit hoá)và oxy hoá nitrit (nitrat hoá), do hai nhóm vi khuẩn tự
dỡng hiếu khí bắt buộc thực hiện. Các vi khuẩn này có dạng hình que, hình
cầu, hình elip, hoặc hình xoắn, không sinh bào tử , gram âm và là các vi
khuẩn hiếu khí. Các vi khuẩn nitrat hoácó thể phát triển đợc ở pH từ 5,5 -
9,0, pH tối u là 7,5
3.1.4.1 Giai đoạn oxy hoá amôn (Nitrit hoá)
- Do các nhóm vi khuẩn tự dỡng Nitrosomonas (N. europaea,
N. oligocarbogenes) ; Nitrosospira ; Nitrosococcus ; Nitrosolobus
Phơng trình phản ứng nh sau
NH

4
+
+ 1.5O
2
Nitrosomonas NO
2
-
+ 2H
+
+H
2
O + 275kJ
- Nhiệt độ sinh trởng và phát triển đối với vi khuẩn nitrit hoá là 5 - 40
0
C.
Nhiệt độ tối u cho quá trình nitrit hoá là 25 - 30
0
C. Chúng có thể sống
đợc ở độ mặn từ 0 - 4,4 %.
- Các vi khuẩn có thể sinh trởng đợc ở pH: 6,0 - 9,0. Với độ pH dới 7,0 quá
trình phát triển của chúng bị chậm lại. Nếu pH nhỏ hơn 6,5 hoặc lớn hơn 9,0
thì hoạt tính nitrit hoá sẽ giảm hoặc không xẩy ra. Bởi vậy, chất đệm trong n-
ớc có vai trò rất quan trọng. Nếu pH giảm, hoạt tính nitrit hoá và sự phát
triển của các vi khuẩn này sẽ bị ức chế (10, 11, 12, 13).
* Cơ chế hoá học của quá trình oxy hoá amôni
- Cơ chế hoá học của quá trình này đã đợc nghiên cứu từ lâu. Trong quá
trình oxy hoá amôn thành nitrit có nhiều enzim trong và ngoài màng của tế
bào tham gia. Cơ chế quá trình này đợc trình bày ở sơ đồ sau :
13
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn

- Trớc tiên, NH
3


(chứ không phải là ion NH
4
+
) bị oxy hoá bằng oxy phân tử
thành hydroxylamine (NH
2
OH) nhờ enzim Ammonia monooxygennaza.
NH
3
+ O
2
+ NADH + H
+
NH
2
OH + H
2
O + NAD
+
Quá trình này đòi hỏi phải có nguồn điện tử để tạo ra hydroxylamine.
Nguồn điện tử này đợc sinh ra khi oxy hoá NADH thành NAD
+
và truyền
qua cytochrom P
460
. Một phần nguồn điện tử trong quá trình oxy hoá amôni

thành hydroxylamine đi vào chuỗi chuyền điện tử trong màng tế bào của
Nitrosomonas. Trong quá trình vận chuyển điện tử này ATP đợc tạo ra.
Phần điện tử còn lại dùng để oxy hoá hydroxylamine thành nitrit theo phản
ứng:
14
NH
3
NH
2
OH
NO
2
-
NO
3
-
[NOH]
2e
-
Chuỗi truyền
điện tử trong
Nitrosomonas
0.5O
2
H
2
O
P460 red
P460 ox
0.5O

2
H
2
O
0.5O
2
H
2
O
2e
-
Chuỗi truyền
điện tử trong
Nitrobacter
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
NH
2
OH + O
2
NO
2
-
+ H
2
O + H
+
- Quá trình này do enzym hydroxylamine oxydaza xúc tác. Khi oxy hoá
NH
2
OH thành NO

2
-
tạo ra sản phẩm trung gian [NOH] không bền vững, và
chuyển thành NO
2
-
,quá trình này cũng giải phóng điện tử, các điện tử này
chuyển đến P
460

ox
để tạo ra P
460

red
, và do vậy khép kín chuỗi chuyền điện tử
(14, 15)
3.1.4.2 Giai đoạn oxy hoá Nitrit(Nitrat hoá)
Đó là quá trình oxy hoá NO
2
-
thành NO
3
-
. Quá trình này đợc thực hiện
bởi nhóm vi khuẩn tự dỡng hoá năng. Đa số các nhóm vi khuẩn này đều có
cấu tạo tế bào hình que, hình cầu, hình bầu dục, đây là nhóm vi khuẩn
Gram (-). Tất cả các chủng đều có khả năng sử dụng nitrat làm nguồn năng l-
ợng và sử dụng CO
2

làm nguồn cacbon (theo chu trình Calvin) cho chúng
sinh trởng. Mỗi phân tử CO
2
đợc cố định 100 phân tử NO
2
-
đợc oxy hoá. Đó
là nguồn năng lợng cần thiết để tổng hợp nên tế bào [13, 16].
NO
2
-
+0.5 O
2
Nitrobacter NO
3
-
+ 75kJ
Quá trình nitrat hoá có thể mô tả nh sau:
NH
4
+
+ 2O
2
Amon monoxygenaza NO
3
-
+ 2H
+
+ H
2

O +Q
- Trong quá trình nitrat hoá, cần cung cấp oxy cho hoạt động hô hấp của các
vi sinh vật, để oxy hoá hoàn toàn 1 mg NH
4
+
thành NO
3
-
cần tới 4,32 mg O
2
.
Nếu pH của môi trờng nhỏ hơn 7.0 thì tốc độ sinh trởng và khả năng nitrat
hoá của các vi khuẩn này bị giảm. Nhiệt độ sinh trởng của các vi khuẩn nitrat
hoá này là từ 5 40
o
C. Nhiệt độ tối u cho các vi khuẩn này là 28
o
C 30
o
C
Quá trình nitrat hoá lại bị ức chế bởi nồng độ NH
4
+
cao do NH
4
+
phân ly
thành NH
3
, H

+
và sau đó bị ức chế khi NO
2
-
, NO
3
-
nồng độ cao,vì H
+
có thể
15
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
kết hợp với NO
2
-
tạo ra HNO
2
bị tích luỹ l;ại gây ảnh hởng đến quá trình
nitrat hoá. Vì vậy cần phải loại bỏ H
+
ra khỏi môi trờng để hạn chế sự tạo
thành HNO
2
và HNO
3
.
* Cơ chế của quá trình oxy hoá nitrit (nitrat hoá)
- Quá trình oxy hoá nitrit thành nitrat do enzym nitritoxydaza và Cytochrom
oxydaza xúc tác.
NO

2
-
+ H
2
O NO
3
-
+ 2H
+
+ 2e
- Trong quá trình oxy hoá nitrit này oxy đợc lấy từ nớc (chứ không phải là từ
oxy phân tử). Điện tử sinh ra trong quá trình này lại đi vào mạch truyền điện
tử tới Cytochrom a, Cytochrom c đến Cytochrom oxydaza (aa
3
) và kết hợp
với oxy phân tử tạo thành nớc trong nguyên sinh chất. Các thành phần mạch
truyền điện tử đó đợc định vị trên màng nguyên sinh chất. Khi proton (H
+
)
chuyển ngợc từ ngoài màng qua màng để vào vùng nguyên sinh chất năng l-
ợng đợc giải phóng ở dạng ATP.
- Ngoài các vi khuẩn tự dỡng ra, quá trình nitrat hoá còn đợc thực hiện bởi
một nhóm vi khuẩn dị dỡng có khả năng oxy hoá NH
4
+
và các hợp chất hữu
cơ thành NO
2
-
, NO

3
-
nh : Methylococcus capsulata, Methylomonas
methanica, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera patotropha ( 20, 21 )
Sự oxy hoá nitrit thành nitrat và vận chuyển proton qua màng tạo ra năng
lợng đợc trình bày ở sơ đồ sau:
16
Ngoài màng NSC Màng NSC Nguyên sinh chất
Nitrit-
Oxydaza
Mo
Cyt.a
Cyt.c
2e
-
Cytochrom-
Oxydaza aa3
H
+
NO
2
-
+ H
2
O
NO
3
-
+ H
+

0,5O
2
+ 2H
+
H
2
O
Tổng cộng:
NO
2
-
+ 0,5O
2
NO
3
-
ADP + Pi ATP
ATPaza
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
3.1.5 Quá trình phản nitrat hoá
- Quá trình phản nitrat hoá đợc thực hiện trong điều kiện thiếu khí với sự
tham gia của các enzyme nitrit và nitrat reductara. Sự có mặt của oxy
phân tử ức chế hoạt động của các enzyme này và dẫn đến sự kìm hãm quá
trình
phản nitrat hoá . Quá trình phản nitrat hoá tạo ra những sản phẩm trung gian
sau đây
NO
3
-
NO

2
-
NO N
2
O N
2
- Quá trình phản nitrat hoá đợc thực hiện nhờ các loại vi khuẩn kị khí tuỳ
tiện nh : Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococcus,
Thiobacillus denitrificans .Các vi khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình
xử lý các nguồn nớc thải chứa hàm lợng NO
3
-
cao. Độ pH tối u để quá trình
phản nitrat hoá xẩy ra là 6.0 8.0.
- Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình phản nitrat hoá
17
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
+ Nồng độ nitrat:Trong quá trình phản nitrat hoá, nitrat đợc sử dụng nh là
chất nhận điện tử, do đó nồng độ của nó ảnh hởng đến tốc độ quá trình phản
nitrat hoá
+ Nồng độ oxy: Hàm lợng oxy hoà tan phải nhỏ hơn 0.1 mg/l vì O
2
cạnh
tranh mạnh mẽ với NO
3
-
trong vai trò là chất nhận điện tử, đồng thời nó còn
kìm hãm
hoạt động của emzyme Nitrit reductase và Nitrat reductase. Do đó sự có mặt
của oxy tự do sẽ gây ức chế và ức chế hoàn toàn quá trình phản nitrat hoá

+ Nhiệt độ: Quá trình khử nitrat hoá có thể xẩy ra ở khoảng nhiệt độ từ
5 45
o
C, ở nhiệt độ 5 10
o
C quá trình vẫn xẩy ra nhngvới tốc độ chậmvà
ở 0- 2
o
C thì quá trình sẽ không xẩy ra
+ Độ pH: tối u là pH = 7.0
3.2 Các phơng pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết trong nớc
Đợc chia làm hai nhóm:
- Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên
- Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo
3.2.1 Các biện pháp xử lý trong điều kiện tự nhiên
Cơ sỏ lý thuyết cuả các biện pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của
hệ tự nhiên. Việc xử lý nớc thực hiện ở các dạng nh: Cánh đồng tới, cánh
đồng lọc, ao hồ sinh học
18
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Ao hồ sinh học là loại công trình khá phổ biến và cũng là phơng pháp đơn
giản nhất và đợc chia làm ba loại.
+ Ao hồ hiếu khí: là loại ao hồ nông, chiều sâu của ao hồ này khoảng từ

0.5 0.9 m, đợc chiếu sáng tốt và đảm bảo thông khí tốt từ mặt ao
xuống đáy ao. Quá trình oxy hoá chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí.
+ Ao hồ kỵ khí: là loại ao hồ sâu khoảng 3 6 m, đảm bảo điều kiện kị
khí cho các hoạt động sống của các hệ vi sinh vật trong đó. Loại hồ này th-
ờng dùng để xử lý nớc thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, ít đợc sử dụng
để xử lý nớc thải sinh hoạt, vì nó gây mùi thối khó chịu (3)

+ Hồ kị khí tuỳ tiện: là loại ao hồ có chiều sâu khoảng 1 1.7 m. Loại ao,
hồ này có sự hoạt động của cả hai quá trình hiếu khí và kị khí . Hiện nay loại
ao, hồ này đang đợc sử dụng rộng rãi nhất trong các hồ sinh học.
- Trong thực tế, để loại bỏ đợc nitơ liên kết ngời ta thờng sử dụng loại ao hồ
hiếu khí và tuỳ tiện. Đặc điểm của các hồ này là tảo và các vi sinh vật khác
cùng sinh trởng và phát triển, ở lớp nớc trên của hồ các vi sinh vật hiếu khí
sẽ sử dụng oxy hoà tan (một phần do tảo tạo ra) để hô hấp, các chất hữu cơ
chứa nitơ sẽ đợc vi sinh vật oxy hoá thành CO
2,
H
2
O, NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
. Các
chất này sẽ đợc tảo sử dụng để tăng trởng đồng thời giải phóng oxy phục vụ
cho hoạt động sống của vi khuẩn. Đây là sự cộng sinh có hiệu quả giữa tảo
và các vi sinh vật khác. Việc sử dụng Tảo để hấp thụ các thành
19
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
phần có trong nớc thải rất đáng đợc lu tâm vì trong tế bào của chúng nitơ
chiếm tới 8-10 %
3.2.2 Các biện pháp xử lý trong điều kiện nhân tạo
- Nguyên tắc của việc sử dụng các biện pháp này là cũng dựa vào hoạt động

sống của các vi sinh vật nh và sinh trởng. Nhờ quá trình phát triển, quá trình
trao đổi chất của chúng mà các chất ô nhiễm sẽ bị chuyển hoá thành các
dạng vô hại.
- Dựa vào trạng thái tồn tại của các vi sinh vật trong hệ thống xử lý mà ngời
ta chia làm hai kỹ thuật:
- Kỹ thuật lọc sinh học
- Kỹ thuật bùn hoạt tính
3.2.2.1Kỹ thuật lọc sinh học
- Kỹ thuật lọc sinh học nói chung dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh
vật bám trên vật liệu rắn tạo ra màng sinh học. Màng sinh học là tập thể các
vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kỵ khí, kỵ khí tuỳ tiện

20
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- Các vi khuẩn này liên kết với nhau trên bề mặt chất mang tạo thành lớp
màng vi sinh vật goị là màng sinh học, các chất hữu cơ và vô cơ trong nớc sẽ
đợc hấp thụ lên bề mặt màng và đợc các vi sinh vật sử dụng hoặc chuyển
hoá. Chất mang thờng sử dụng là các vật liệu nh:nhựa tổng hợp ,polymer
- Đối với các hợp chất chứa nitơ : Đây là quá trình xử lý bằng vi sinh vật a
khí bám trên bề mặt chất mang Nitrosomonas, Nitrobacter .Trong quá
trình khử nitơ liên kết ở lọc sinh học, amoni có trong nớc sẽ bị hấp thụ lên
lớp ngoài của màng, màng này thờng dày khoảng 0,1-0,4 mm. Quá trình
chuyển hoá amôni trong nớc tách thành hai bớc: lớp ngoài màng chủ yếu là
vi khuẩn hiếu khí thực hiện quá trình nitrat hoá theo hai phản ứng sau:
NH
4
+
+ O
2
NO

2
-
+ H
2
O + 2H
+
Oxy hoá nitrit : NO
2
-
+ O
2
NO
3
-
- ở lớp trong của màng, lợng oxy bị giảm do các vi khuẩn hiếu khí lớp ngoài
sử dụng nên đây là vùng thiếu khí, tạo điều kiện cho các vi khuẩn kỵ khí phát
triểnvà xẩy ra quá trình phản nitrat hoá.
- Các quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng đợc mô tả hình dới
21
Màng lọc sinh học
Nớc
Không
khí
BOD
CO
2
CO
2
O
2

H
2
SH
2
S
SO
4
2-
NO
2
-
NO
3
-
N
2
NH
3
NH
3
Chất mang
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Hình 3: Các quá trình sinh học diễn ra trên lớp màng
3.2.2.2 Kỹ thuật bùn hoạt tính
- Trong kỹ thuật bùn hoạt tính, nớc cần xủ lý đợc đa vào một bể hiếu
khí (bể aeroten) và đợc khuấy trộn với bùn hoạt tính. Bùn có dạng bông,
mầu nâu xám. Thành phần của bùn hoạt tính bao gồm một số lợng lớn
các nhóm sinh vật. Các vi sinh vật có thể là vi khuẩn, xạ khuẩn, và
động vật nguyên sinh nh :Nitrosomonas, Actinomyces, Athrobacter,
Bacillus, Bacterium, Micrococcus, Pseudomonas . Các vi khuẩn

22
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Pseudomonas phân huỷ các loại rợu, acid béo, paraffin, Bacterium phân
huỷ dầu mỏ ,paraffin, naften, phenol, andehit và các acid béo.
- Sau khi nớc ra khỏi bể aeroten, hỗn hợp nớc và bùn đợc đa vào bể
lắng thứ cấp. ở đó bùn hoạt tính đợc lắng xuống, một phần bùn đợc
tuần hoàn trở lại bể aeroten để giữ cho hàm lợng bùn trong bể luôn ổn định
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bùn hoạt tính
- Các yếu tố nh pH, nhiệt độ có ảnh hởng khá lớn đến quá trình xử
lý.Khoảng pH từ 6.5 9 đợc coi là tối u cho hoạt động của bùn hoạt tính.
23
Bể lắng
sơ cấp
Bể
aeroten
N ớc
vào
Bể lắng
thứ cấp
N ớc
ra
Bùn hồi l u
Bùn d
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Nếu pH < 6.5 thì nấm bắt đầu phát triển, nếu pH > 9 thì tốc độ trao đổi chất
sẽ bị chậm lại.
- Trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính, ngoài sự loại bỏ các chất hữu cơ

dễ bị oxy hoá sinh học còn có quá trình oxy hoá NH
4

+
thành NO
3
-
theo
phơng trình sau :
NH
4
+
+ 4O
2
2NO
3
-
+4H
+
+ 2H
2
O + 350kJ
Quá trình phản nitrat hoá sẽ xẩy ra khi không tiếp tục cung cấp không khí.
Khi đó oxy cần cho hoạt động của vi sinh vật giảm dần và việc giải phóng
oxy từ nitrat sẽ xẩy ra. Do vậy, trong kỹ thuật này giai đoạn sau nên tạo điều
kiện thiếu khí để loại bỏ hoàn toàn hợp chất nitơ ra khỏi nguồn nớc.
III. Tình hình nghiên cứu công nghệ khử nitơ liên kết ở Việt Nam
ở nớc ta hiện nay nguồn nớc cung cấp cho sinh hoạt ở nông thôn cũng
nh đô thị phần lớn là nớc ngầm.
- Về nguyên tắc, so với nguồn nớc mặt thì thì nớc ngầm sạch hơn về mặt
vi sinh, về các chất lơ lửng và ít khả năng bị ô nhiễm bởi các chất thải
sinh hoạt và công nghiệp hơn.
- Tuy nhiên, nớc ngầm lại chứa nhiều. chất khoáng hoà tan cần xử lý là sắt,

mangan, Asen và các hợp chất chứa nitơ. ở Hà Nội, nớc dùng cho sinh hoạt
hiện chỉ là nớc ngầm. Trong khi đó nitơ liên kết trong nớc ngầm ở Hà Nội
chủ yếu tồn tại dới dạng amôni (22) với hàm lợng cao đáng báo động. Trong
số 700.000 m
3
nớc /ngày đêm từ 8 giếng khoan tập trung và 130 giếng khoan
lẻ do công ty kinh doanh nớc sạch cung cấp thì có đến 150.000 m
3
từ các nhà
máy nớc Pháp Vân, Hạ Đình, Tơng Mai thờngxuyên chứa NH
4
+
vợt 5 đến 20
lần tiêu chuẩn cho phép của bộ y tế (2002) (23). Hơn thế nữa ở một số nhà
24
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
máy nớc mới xây dựng nh Cáo Đỉnh, Nam D cũng bị nhiễm nặng amôni .
Ngoài ra nớc từ nhiều trạm cấp nớc vừa và nhỏ từ các giếng khoan
thủ công cũng bị nhiễm amôni đặc biệt là các vùng nam Hà Nội. Vì thế, cho
đến nay nhiều cơ sở nghiên cứu công nghệ ở nớc ta đang chú trọng tìm biện
pháp để giải quyết tình trạng này và đã có nhiều đề tài đợc tiến hành nh :
- Xử lý amôni trong nớc ngầm quy mô pilot tại nhà máy nớc Pháp
Vân (do kỹ s Bùi Văn Mật chủ nhiệm đề tài, 12/2002).
- Nghiên cứu xử lý N-NH
4
+
trong nớc ngầm Hà Nội (đề tài cấp thành
phố 01C- 09/11- 2000- 2002).
- Công ty T vấn cấp thoát nớc và môi trờng Việt Nam. Báo cáo bớc
đầu xử lý amôni cho nhà máy nớc Nam D 30.000m

3
/ngày, 2002.
- Các đề tài xử lý nitơ quy mô nhỏ của CFINEA, ĐHQG Hà Nội,
ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh
Tại Viện Công nghệ sinh học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
các nghiên cứu đợc tiến hành từ năm 2000 2004. Kết quả đã đợc
công bố:
- Chọn lựa đợc các vi sinh vật tham gia vào quá trình chuyển hoá
amôni có trong nớc ngầm.
- Nghiên cứu kỹ thuật cố định các chủng vi khuẩn chọn lọc vào chất
mang.
- Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lọc sinh học sử dụng chất mang
này để xử lý nớc ăn uống nhiễm amôni
Hiện nay, tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công thiết bị xử lý
25