giáo trình công nghệ sinh học môi trường Bài 2 xử lý N,P



THC S VƯU NGC DUNG
4/22/14 1
1.
GII THIU
2.
QU TRNH LOI B NITƠ BNG PHƯƠNG PHP SINH HC
3.
QU TRNH LOI B PHOTPHO BNG PHƯƠNG PHP SINH HC
4.
XỬ LÝ CC ION KIM LOI N'NG TỪ NƯC THẢI
 

4/22/14 2

Sự ô nhiễm nguồn nước do hàm lượng N-NH
3,
N-NO
3
-
, P trong nước dư thừa sẽ gây nên hiện tượng “phú
dưỡng hoá”.

Nguồn dinh dưỡng cho rong tảo và một số thực vật nước “bùng nổ”

Sinh trưởng và phát triển quá độ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước sinh hoạt và các thuỷ vực nuôi trồng
thuỷ sản.

N-NO
3

-

có thể gây bệnh thiếu máu cho người ở nồng độ cao và nó là một tiền chất của N-nitroso, Nitrosamin, có
khả năng gây ung thư mạnh nhất hiện nay.

Phương pháp thực tiễn duy nhất và hiệu quả nhất là tập trung kiểm soát hàm lượng Photpho và Nitơ trong nước.

Xử lý sinh hóa nước thải chứa N, P là căn cứ vào quá trình chuyển hóa của N và P trong nước thải.
!"
4/22/14 3

Quá trình loại nitơ cần phải trải qua tối đa 3 giai đoạn theo thứ tự:
Ammonia hoá  nitro hoá  khử nitro hoá
#$"%&' %
4/22/14 4
4/22/14 5
#(#$)*+, /0112.30/40
Quá trình phân huỷ protein và các amino acid theo nhiều cơ chế ammonia hoá khác nhau, bao gồm:
khử amin theo thuỷ phân,
R–NH
2
+ H
2
O → R–OH + NH
3
oxi hoá,
R–CHNH
2
COOH + H
2

O → R–CO–COOH + 2 (H) + NH
3
khử
R–CHNH
2
–COOH +
2
(H) → R–CH
2
-COOH + NH
3
và khử bão hòa
R–CH
2
–CHNH
2
–COOH → R–CH=CH–COOH + NH
3

4/22/14 6

Ammonia tạo ra từ quá trình cắt urea và quá trình ammonia hoá các amino acid  các vi khuẩn đồng hoá cho
quá trình tăng trưởng trong quy trình xử lý hiếu khí (tạo thành bùn thừa).

Vi khuẩn: 50% protein
tỉ lệ nitơ trong protein là 16%.
 Để tổng hợp thành 1 g sinh khối vi khuẩn, lượng N-ammonia cần tiêu thụ vào khoảng 0,08 g.

Để loại bỏ lượng ammonia không cho tăng trưởng tế bào:
qua quá trình nitro hoá (1)  khử nitro hoá (2)  khí nitơ phân tử (N

2
) hoặc quá trình oxy hoá kỵ khí nitrite (3).
4/22/14 7
##$)*+, /.3+,0+5/400112.30

Nitrate hóa tự dưỡng
Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng là các vi sinh vật hiếu khí: oxy hoá ammonia thành nitrite
NH
4
+
+ 1,5 O
2
→ NO
2
–
+ 2 H
+
+ H
2
O
NO
2
–
+ 0,5 O
2
→ NO
3
–
Quá trình oxy hoá ammonia thành nitrite hay oxy hoá nitrite thành nitrate là các quá trình tạo ra năng lượng dùng
cho sự tăng trưởng tự dưỡng của các vi khuẩn nitro hoá.

4/22/14 8

Nitrate hóa dị dưỡng
Một vài loài vi khuẩn có khả năng xúc tác quá trình nitro hoá dị dưỡng của các cơ chất hữu cơ chứa nitơ:
R–NH
2
→ R–NHOH → R–NO → NO
3
–

Các vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng oxi hoá các hợp chất nitơ có tính khử nhưng không tạo ra năng lượng khi hình
thành nitrate.
Ví dụ như hydroxylamine và các chất chứa nitơ vòng thơm và nitơ không vòng.
Một vài loại vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng có khả năng khử nitrate hoặc nitrite trong điều kiện tăng trưởng hiếu khí.
Trong điều kiện tăng trưởng hiếu khí, enzyme khử nitrate ngoại vi được biểu hiện, xúc tác quá trình khử nitrate ít
nhất trở thành dạng nitơ oxyt.
4/22/14 9
(#6#6#/7.3+,0+5/40(loại bỏ nitrate khỏi nước thải)
Vi khuẩn hiếu khí có khả năng chuyển từ cơ chế oxy hoá sang quá trình hô hấp nitrate.
Quá trình hô hấp nitrate của các vi khuẩn dị dưỡng cần nguồn carbon phức hợp làm nguồn cung cấp điện tử cho
quá trình khử nitrate.
CH
3
OH + H
2
O  CO
2
+ 6H
+
+ 6e

-
CH
3
COOH + 2 H
2
O  2CO
2
+ 8H
+
+ 8e
-
4/22/14 10
Khử nitrate thành nitrite nhờ enzyme khử nitrate A gắn trên màng tế bào (a).
Enzyme khử nitrite gắn trên màng tế bào (b) xúc tác quá trình hình thành NO.
Enzyme khử NO (c) và enzyme khử N
2
O – nito dioxit (d) tạo ra N
2
.

Nhiều loại vi khuẩn khử nitrate có thể sử dụng NO
2
–
, NO hay N
2
O làm chất nhận điện tử cuối cùng thay thế cho
nitrate.

Ngoại trừ quá trình khử nitrate dị hoá, nhiều loại vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí có khả năng khử nitrate đồng hoá để
cung cấp ammonia cho sự tăng trưởng tế bào, nồng độ ammonia < 1 mM.

4/22/14 11
(#6#8#9:/400112.30;<;/=>?.0129@A
Hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí thuộc bộ Planctomycetales là Brocardia anammoxidans và
Kuenenia stuttgartiensis.
Trong quy trình Anamox:

Ammonia bị oxi hoá  nitơ

Nitrite đóng vai trò chất nhận điện tử.
4/22/14 12
/)+, /1B3C4+/D11E+9=C/0.0129FG



8
H


I

6
-
Cố định N
4/22/14 13
Nitrite bị khử thành hydroxylamine
2 HNO
2
+ 4 XH
2
→ 2 NH

2
OH + 2 H
2
O + 4 X
Sau đó, phản ứng với ammonia tạo thành hydrazine (N
2
H
4
)
2 NH
2
OH + NH
3
→ 2 N
2
H
4
+ 2 H
2
O
Qua quá trình oxi hoá hydrazine thành nitơ phân tử
2 N
2
H
4
+ 4 X → 2 N
2
+ 4 XH
2
4/22/14 14


Trong môi trường có lượng oxy giới hạn các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí là kết hợp với
nhau một cách tự nhiên.
Ví dụ như mặt giao giữa vùng có oxy và thiếu oxy của màng sinh học hoặc bông bùn.

Ammonia bị oxy hoá thành nitrite và đồng thời, hàm lượng oxy giảm. Vi khuẩn anammox chuyển đổi
nitrite và lượng ammonia còn lại thành N
2
.

Khi hàm lượng ammonia bị giới hạn, ái lực của các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí có thể
làm cho mối cộng tác tự nhiên thay đổi trở thành cạnh tranh.
4/22/14 15
/)+, /C/):J./2*3+KLM3N3O3./NP+FG
4/22/14 16

$"%&?Q %R
6#$"%&' %
4/22/14 17

Vi sinh vật  phosphate  quá trình tăng trưởng tế bào

Trong tế bào vi khuẩn tích luỹ polyphosphate (12%), vi khuẩn không tích luỹ phosphate (1 – 3%).

Acinetobacter sp.  quá trình hô hấp β-hydroxybutyrate  thu năng lượng cho quá trình tăng trưởng, duy trì hoạt
động sống, quá trình tạo glycogen và quá trình trùng hợp phosphate hấp thu trong nước thải.
4/22/14 18

Các vi khuẩn tích luỹ polyphosphate trải qua các điều kiện môi trường kỵ khí và hiếu khí theo trình tự.


Photpho được xử lý một phần vào tạo tế bào vsv, một phần tạo năng lượng và số khác là các chất sinh ra như
acid béo hữu cơ.

10 30% photpho được khử trong quá trình khử BOD.

Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành sulfide, một lượng nhỏ sulfide cần thiết cho sự tăng trưởng nhưng
sẽ gây độc cho vi khuẩn nếu tồn tại dưới dạng H
2
S ở hàm lượng cao.

pH kiềm nhẹ trong điều kiện kỵ khí, hầu hết sulfide kết tủa dưới dạng sulfide kim loại nặng, do đó, không gây
độc cho vi sinh vật và môi trường.
4/22/14 19
8#%
S!T

Hầu hết các thành phần vô cơ trong nước thải tồn tại ở dạng hoà tan hoặc ion.

Nhiều ion dương và ion âm ở hàm lượng vết là các chất vi lượng thiết yếu cho sự tăng trưởng của vi khuẩn.

Các chất ô nhiễm ion kim loại trong nước thải có thể được loại bỏ nhờ vi sinh vật thông qua tác động trực tiếp hoặc
gián tiếp lên trạng thái oxy hoá khử của các ion kim loại hoặc thông qua quá trình hấp phụ sinh học các ion kim
loại lên bề mặt tế bào.

Một số loại vi sinh vật cũng phát triển cơ chế kháng lại các kim loại gây độc bằng cách thay đổi trạng thái oxy hoá
để không làm tác động đến quá trình tăng trưởng kỵ khí.
4/22/14 20

Một số loài vi khuẩn, nấm men, nấm và tảo nhất định có thể tích luỹ chủ động các ion kim loại bên trong tế bào
ngược gradient nồng độ.


Quy trình tích luỹ sinh học các ion kim loại phụ thuộc vào hoạt động sống và biến dưỡng của tế bào.

Quá trình hấp phụ sinh học các ion kim loại gồm các cơ chế như trao đổi ion, tạo phức, bẫy ma trận, hấp phụ bề
mặt

Sau quá trình hấp phụ sinh học hoặc loại bỏ chủ động các ion kim loại từ nước thải hoặc đất ô nhiễm, sinh khối
chứa kim loại cần phải được tách biệt và đốt hoặc tái chế thông qua quá trình giải hấp hoặc tái linh động hoá các
kim loại.
4/22/14 21
Bảng: Các kim loại đóng vai trò chất nhận điện tử trong hô hấp kỵ khí [1]
4/22/14 22

Các kim loại hoá trị bốn có thể loại bỏ bằng các chất tạo phức (như EDTA) hoặc cố định trong sinh khối từ
môi trường ô nhiễm.

Nấm có khả năng rửa các muối kim loại dạng hoà tan cũng như không tan, do nấm tiết ra các acid hữu cơ
như acid citric, acid fumaric, acid lactic, acid gluconic,…các acid này hoà tan các muối kim loại và tạo
thành phức với ion kim loại.
4/22/14 23