Hoàn thiện thiết bị lọc nướckhử nitơ liên kết trong nước ăn uống

Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
LỜI CẢM ƠN
Thực tập tốt nghiệp được 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
1
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Mục lục
trang
Mở đầu 3
Phần I : Tổng quan tài liệu
I Sự ô nhiễm các nguồn nước
1 Đặc điểm phân loại nước
2 Các hợp chất hữu cơ
3 Các hợp chất vô cơ

II Các phương pháp khử nitơ liên kết trong nước
1 Phương pháp lý học
2 Phương pháp hoá học
3 Phương pháp sinh học
3.1 Cơ sỏ lý thuyết của phương pháp sinh học

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

3Phương pháp xác định hàm lượng 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 được
Phần IV Kết luận và kiến nghị

2
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
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 trường nhất là môi trường nước. Sự ô nhiễm
môi trường này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ cộng đồng và tác hại đến

hệ sinh thái. Vì vậy vấn đề giám sát và quản lý môi trường và xử lý làm
sạch
môi trường được đặc biệt chú trọng và được xem là một trong những nhiệm
vụ cấp bách hàng đầu của các Quốc gia trên thế giới.
- Việt nam có nguồn tài nguyên nước dồi dào nhưng sự suy giảm chất
lượng nước mặt và nước ngầm đang gia tăng ở nhiều nơi. Nguyên nhân của
hiện tượng này là do sự ô nhiễm môi trưòng do một lượng lớn phế thải sản
xuất, sinh hoạt trực tiếp cho ra môi trường mà không qua xử lý. Các nguồn
nước thải loại này có hàm lượng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ rất cao. Các
chất này được vi sinh vật phân huỷ tạo thành các sản phẩm trung gian như:
NH
4
+
, NO
2
-
, NO
3
-
được gọi chung là nitơ liên kết
3
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- Sự lạm dụng quá nhiều phân đạm hoá học trong sản xuất nông nghiệp cũng
là nguyên nhân làm gia tăng hàm lượng nitơ liên kết trong các tầng nước
mặt và nước ngầm. Nguồn nước này được các nhà máy nước và các hộ gia
đình khai thác để sử dụng làm nước sinh hoạt (kể cả cho mục đích ăn uống)
đã ảnh hưởng rất lớn đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt là trẻ em và phụ nữ
mang thai.
- Hiện nay, nhiều phương pháp và quy trình xử lý phù hợp với từng nguồn
nước thải khác nhau đang được áp dụng rộng rãi như : Phương pháp cơ

học,hoá học, phương pháp sinh học. Do có những ưu việt hơn hẳn so với các
phương pháp khác, phương pháp sinh học ngày càng được áp dụng rộng rãi.
Trong các phương pháp sinh học, xử lý nước thải bằng vi sinh vật là phương
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 nước sinh hoạt trong những
năm gần đây rất được chú trọng, đã có nhiều công trình nghiên cứu và có kết
quả rất khả quan. Tại Viện Công Nghệ Sinh Học đã chế tạo thành công
thiết bị khử nitơ liên kết trong nước ăn uống bằng kỹ thuật sinh học. Mặc dù
4
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
đang được áp dụng vào thực tế cuộc sống nhưng việc hoàn thiện công nghệ
và tối ưu hoá cấu tạo thiết bị còn phải được tiếp tục. Do đó chúng tôi đã tiến
hành nghiên cứu : “Hoàn thiện thiết bị lọc nướckhử nitơ liên kết trong
nước ăn uống "


5
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
I. Sự ô nhiễm các nguồn nước
1. Đặc điểm và phân loại nước thải
- Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là nhu cầu thiết yếu cho mọi
sinh vật. Không có nước cuộc sống của con người trên trái đất không tồn tại
được.Nhưng nguồn nước cấp cho mọi nhu cầu sinh hoạt và giải trí … cho
con người chỉ có hạn. Lượng nước ngọt có thể sử dụng được chỉ chiếm
khoảng 0.26% lượng nước toàn trái đất, trong số đó chỉ có 1/3 lượng nước
này có khả năng sử dụng cho mục tiêu sản xuất nước 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 người được nâng cao, bên cạnh đó cũng làm suy thoái và cạn
kiệt các nguồn nước cấp cho sinh hoạt.Phần lớn lượng phế thải công nghiệp,
nông nghiệp và sinh hoạt của con người xả trực tiếp vào các nguồn nước
không qua xử lý đã gây ra ô nhiễm nặng.
- Có ba loại nước thải chủ yếu
+ Nứơc thải sinh hoạt : là loại phổ biến, có nguồn gốc từ những sinh hoạt
6
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
khác nhau của con người, từ các bệnh viện, hàng ăn và các chất thải của
con người … Nước thải loại này chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao.
+ Nước thải công nghiệp: là loại chứa nhiều chất vô cơ, kim loại, hữu cơ…
Điều quan trọng là chúng thường chứa nhiều chất gây độc đối vối sinh vật.
Loại nước thải này có nguồn gốc từ những nhà máy, những sản phẩm thừa,
cũ, hỏng hoặc không thể sử dụng được và chất thải độc hại từ các quá trình
sản xuất công nghiệp
2. Các hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ có trong nước thải thường được chia làm hai loại :Loại
khó
phân huỷ và loại dễ phân huỷ. Lượng hữu cơ dễ phân huỷ được đánh giá
theo
chỉ số nhu cầu oxy sinh hoá (BOD). Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD
5
) là lượng
oxy tiêu tốn nhờ vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước 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 nước thải . Do vậy tỉ số COD/BOD

luôn lớn hơn 1
3. Các hợp chất vô cơ
7
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
Các hợp chất vô cơ có nồng độ khá cao trong nước thải khu dân cư như Cl
-
,
SO
4
2-
, PO
4
3-
, Na
+
, K
+
và trong nứơc thải công nghiệp như kim loại có độc
tính cao như: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr
- Nước thải còn chứa nhiều hợp chất vô cơ chứa nitơ như: NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
…Trong hệ thuỷ sinh các hợp chất hữu cơ này tăng cường sinh trưởng,
nhiều loài rong tảo phát triển và sự tích tụ rồi phân huỷ sinh khối của chúng

gây ô nhiễm môi trường nuôi
- Sự ô nhiễm nitơ liên kết nguồn nước mặt do phế thải sinh hoạt và sản xuất
đã tác động trực tiếp đến chất lượng nguồn nước ngầm. Tại Hà Nội, kết quả
báo cáo chất lượng nước của Bộ xây dựng, Công ty tư vấn cấp thoát nước và
môi trường Việt Nam cho chất lượng nhiều nguồn nước ngầm ngày càng bị
suy giảm nghiêm trọng.Nước từ nhiều nhà máy nước chứa một hàm lượng
NH
4
+
lớn như nhà máy nước Pháp Vân hàm lượng NH
4
+
lên đến 60 mg/l, nhà
máy nước Tương Mai là 30 mg/l và nhà máy nước Yên Phụ là 20 mg/l ( 9 ) .
- Amoni(NH
4
+
)thực ra không qúa độc đối với con người như đối với nhiều
thuỷ động vật nhưng trong quá trình khai thác, xử lý, lưu trữ chúng bị
chuyển hoá thành nitrit. Hàm lượng nitrit cao trong nước uống sẽ gây bệnh
đường hô hấp ( methemoglobinemia (bệnh xanh da)) ở trẻ em. NO
2
-
có thể
8
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
kết hợp với axit amincó trong thức ăn để tạo ra hợp chất nitrosamin sản
phẩm này có thể gây bệnh ung thư cho con người, vì vậy người ta đã tìm
nhiều biện pháp loại bỏ các hợp chất chứa nitơ trong nước sinh hoạt
II. Các phương pháp khử nitơ liên kết trong nước

Để loại bỏ hợp chất nitơ, người ta có thể sủ dụng nhiều phương pháp như
phương pháp lý học, phương pháp hoá học, sinh học. Chúng có những ưu
nhược điểm riêng và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau.
1. Phương pháp lý học( 19)
- Trong phương pháp lý học người ta thường loại bỏ amôn ở dạng khí dễ
bay hơi (NH
3
), bằng cách thổi khí .Để chuyển hoá mạnh amôn thành dạng
khí người ta nấy pH nước khoảng 10,5-11,5.
- Ưu nhược điểm của quá trình :
Ưu điểm :
+ Có thể kiểm soát được quá trình
+ Kỹ thuật đơn giản
Nhược điểm
+ Trong môi trường nước Nitơ liên kết không chỉ tồn tại ở dạng NH
4
+
mà
9
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
nó còn tồn tại dưới dạng NO
2
-
, NO
3
-
. Bằng phương pháp này không thể
giảm thiểu được 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. Phương pháp hoá học (19)
Để xử lý nước chứa Nitơ liên kết bằng phương pháp hoá học người ta sử
dụng các phương pháp như: Phương pháp clo hoá, phương pháp trao đổi ion.
2.1 Phương pháp Clo hoá (19)
Nguyên tắc
Sử dụng chất oxy hoá mạnh như :Clo, Ozon, Cloramin, KMnO
4
để oxy hoá
amoni thành Nitrit, Nitrat .
Khi sử dụng Clo quá trình này diễn ra như sau :
Cl
2
+ H
2
O = HClO + HCl (1)
(hypoclorit)
Amonia trong nước 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 lượng –g/g)
10
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
phải đạt tới 7,6, do đó chuyển hoá 1mg NH
3
phải cần ít nhất 8 mg Clo. Như
vậy khi sử dụng phương pháp này, người ta cần dùng một lượng lớn Clo.
- Ưu nhược điểm của quá trình :
Ưu điểm
+ Quá trình này có thể kiểm soát được, tất cả lượng N-NH
3
đều có thể
được oxy hoá hết.
+ Có thể kết hợp với quá trình khử trùng nước
+ Không tốn diện tích mặt bằng
Nhược điểm
+ Chi phí vận hành cao
+ Còn tồn tại một lượng lớn Clo dư và hợp chất Clo là nguyên nhân gây
độc với con người và sinh vật thuỷ sinh
+ Quá trình phụ thuộc nhiều vào độ pH, liều lượng Clo sử dụng
+Trong quá trình xử lý một lượng trihalomethane tạo thành ảnh hưởng
đến chất lượng nước cấp
+ Cần phải kiểm soát chặt chẽ độ pH để tránh sự tạo thành khí NCl
3
+ Không khử được nitơ dạng NO

2
-
và NO
3
-
2.2 Phương pháp trao đổi ion (19)
11
Bỏo cỏo thc tp Trn Quc Tun
Nguyờn tc
Nc cn x lý i qua b mt nha trao i ny(loi cationit).NH
4
+
c hp
th lờn b mt ht nha ú. hon nguyờn vt liu ny cn s dng mt s
iụn khỏc y NH
4
+
ra, thụng thng ngi ta s dng HCl loóng Phng
phỏp ny hin nay c ng dng rng rói trong x lý nc cp.
Ngy nay ngi ta ó ch to ra mt loi nha nhõn to x lý nc ngm
cú nng NO
3
-
cao theo nguyờn lý sau: Nc ngm c bm lờn t ging
vo b cha trung gian. Sau ú nc c bm qua b ỏp lc loi b cn
bn dng keo Hydroxit- Fe, Al Nc c dn chy qua ct trao i
ion (loi anionit). Ti õy xy ra quỏ trỡnh trao i ion NO
3
-
vi Clo lp

khuch tỏn ca ht nha. Kt qu l NO
3
-
b gi li trờn b mt nha v nc
sau khi i qua ct trao i ion s cú hm lng NO
3
-
t yờu cu dựng cho
nc n ung
Hỡnh 1: S ca quỏ trỡnh x lý NO
3
-
cao trong nc ngm
Nước vào
Bể
Bể lọc áp
lực
Cột
trao
đổi
anion
Nước ra
12
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
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.

Nhược điểm
+ Chi phí vận hành cao
+ Sự tích tụ quá nhiều các cation sẽ làm giảm tốc độ loại bỏ
+ Không áp dụng được cho nguồn nước có nhiều cặn lơ lửng
3. Phương pháp sinh học để loại bỏ nitơ liên kết trong nước
3.1 Cơ sở lý thuyết của các phương pháp sinh học
3.1.1 Chu trình chuyển hoá nitơ trong tự nhiên
Sơ đồ dười đây biểu diễn sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên dưới tác động
của sinh vật
13
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
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 trưởng 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 được nhiều loại vi khuẩn
cố định để chuyển thành NH
4
+
và như vậy chu trình được khép kín. Chính
14
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
các cơ thể sống này là một trong những tác nhân làm sạch nguồn nước trong
thiên nhiên khỏi hợp chất chứa nitơ.
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 được thực hiện nhờ các vi sinh vật như vi khuẩn, xạ khuẩn ,
nấm…. Dưới 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 lượng
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 được chuyển sang dạng các hợp chất hữu cơ chứa nitơ
15
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- Một số enzyme tham gia vào quá trình đồng hoá amôn ở tảo như sau:
+ Enzyme glutamin dehydrogenaza (GDH)
Axit
α
- 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 dưới tác dụng của enzyme
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 dưỡng 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 được ở pH từ
5,5 - 9,0, pH tối ưu là 7,5
3.1.4.1 Giai đoạn oxy hoá amôn (Nitrit hoá)
- Do các nhóm vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas (N. europaea,
N. oligocarbogenes) ; Nitrosospira ; Nitrosococcus ; Nitrosolobus
Phương trình phản ứng như sau
NH
4
+
+ 1.5O
2
Nitrosomonas NO
2
-
+ 2H
+
+H
2
O + 275kJ
16
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- Nhiệt độ sinh trưởng và phát triển đối với vi khuẩn nitrit hoá là 5 - 40
0
C.
Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrit hoá là 25 - 30
0
C. Chúng có thể sống
được ở độ mặn từ 0 - 4,4 %.
- Các vi khuẩn có thể sinh trưởng được ở pH: 6,0 - 9,0. Với độ pH dưới 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 nước 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 được 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 được trình bày ở sơ đồ sau :
17
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
- Trước 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 được 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 được tạo ra.
Phần điện tử còn lại dùng để oxy hoá hydroxylamine thành nitrit theo phản
ứng:
NH
2
OH + O
2
→ NO
2
-

+ H
2
O + H
+
18
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
- 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 được thực
hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng 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 lượng và sử dụng CO
2
làm nguồn cacbon (theo chu trình Calvin) cho
chúng sinh trưởng. Mỗi phân tử CO
2
được cố định 100 phân tử NO
2
-
được
oxy hoá. Đó là nguồn năng lượng 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 như 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 trường nhỏ hơn 7.0 thì tốc độ sinh trưởng và khả năng
nitrat hoá của các vi khuẩn này bị giảm. Nhiệt độ sinh trưởng của các vi
khuẩn nitrat hoá này là từ 5 – 40
o
C. Nhiệt độ tối ưu cho các vi khuẩn này là
28
o
C – 30
o

C
19
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
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 kết hợp với NO
2
-
tạo ra HNO
2
bị tích luỹ l;ại gây ảnh hưởng đến quá
trình nitrat hoá. Vì vậy cần phải loại bỏ H

+
ra khỏi môi trường 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 được lấy từ nước (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 nước trong nguyên sinh chất. Các thành phần
mạch truyền điện tử đó được định vị trên màng nguyên sinh chất. Khi proton
(H
+

) chuyển ngược từ ngoài màng qua màng để vào vùng nguyên sinh chất
năng lượng được giải phóng ở dạng ATP.
- Ngoài các vi khuẩn tự dưỡng ra, quá trình nitrat hoá còn được thực hiện
bởi một nhóm vi khuẩn dị dưỡng có khả năng oxy hoá NH
4
+
và các hợp chất
hữu
cơ thành NO
2
-
, NO
3
-
như : 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
20
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
lượng được trình bày ở sơ đồ sau:
3.1.5 Quá trình phản nitrat hoá
21
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
- Quá trình phản nitrat hoá được 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 được thực hiện nhờ các loại vi khuẩn kị khí tuỳ
tiện như : Pseudomonas, Alcaligenes, Micrococcus,
Thiobacillus denitrificans .Các vi khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình
xử lý các nguồn nước thải chứa hàm lượng NO
3
-
cao. Độ pH tối ưu để quá
trình phản nitrat hoá xẩy ra là 6.0 – 8.0.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản nitrat hoá
+ Nồng độ nitrat:Trong quá trình phản nitrat hoá, nitrat được sử dụng như là
chất nhận điện tử, do đó nồng độ của nó ảnh hưởng đến tốc độ quá trình

phản nitrat hoá
+ Nồng độ oxy: Hàm lượng 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
22
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
+ 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 nhưngvới tốc độ chậmvà
ở 0- 2
o
C thì quá trình sẽ không xẩy ra
+ Độ pH: tối ưu là pH = 7.0
3.2 Các phương pháp sinh học loại bỏ nitơ liên kết trong nước
Được 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 nước thực hiện ở các dạng như: Cánh đồng tưới,

cánh đồng lọc, ao hồ sinh học…
Ao hồ sinh học là loại công trình khá phổ biến và cũng là phương pháp đơn
giản nhất và được chia làm ba loại.
+ Ao hồ hiếu khí: là loại ao hồ nông, chiều sâu của ao hồ này khoảng từ
23
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn

0.5 – 0.9 m, được 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 thường
dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, ít được sử dụng
để xử lý nước 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 được sử dụng rộng rãi nhất trong các hồ sinh học.
- Trong thực tế, để loại bỏ được nitơ liên kết người ta thường 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 trưởng và phát triển, ở lớp nước 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 được vi sinh vật oxy hoá thành CO
2,
H
2
O, NH
4
+
, NO
3
-

,
NO
2
-
. Các chất này sẽ được tảo sử dụng để tăng trưởng đồng thời giải phóng
24
Báo cáo thực tập Trần Quốc Tuấn
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
phần có trong nước thải rất đáng được lưu 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 như và sinh trưởng. 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
người ta chia làm hai kỹ thuật:
- Kỹ thuật lọc sinh học
- Kỹ thuật bùn hoạt tính
3.2.2.1Kỹ thuật lọc sinh học
25