Tìm hiểu một vài quá trình sinh học loại bỏ nitơ trong nước thải

Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Tốc độ đô thị hóa ở Việt Nam trong thời gian gần đây diễn ra rất nhanh chóng
cùng với sự phát triển của công nghiệp. Tỉ lệ dân số vì thế cũng tăng theo cùng với
tốc độ đô thị hóa, kết quả là nước thải từ các thành phố, khu dân cư tập trung, khu
công nghiệp cũng không ngừng gia tăng với khối lượng lớn. Đối với nhiều loại nước
thải có hàm lượng các chất dinh dưỡng như Nitơ, phospho cao, việc xử lý để loại ra
các thành phần này trước khi xả ra môi trường là một yêu cầu quan trọng, nhằm hạn
chế sự ô nhiễm nước ngầm, nước mặt.
Cùng với nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp
cũng chứa nhiều loại hợp chất phức tạp (vô cơ, hữu cơ). Một trong các dạng hợp chất
gây nên sự ô nhiễm nước phải kể đến là các hợp chất chứa Nitơ. Nếu hàm lượng Nitơ
có trong nước xả ra sông, hồ cao quá mức sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa kích
thích sự bùng nổ nhanh chóng của rong, rêu, tảo làm bẩn nguồn nước và cạn kiện
oxy hòa tan, đe dọa hệ sinh thái nước. Bởi vậy, Nitơ là yếu tố cần phải được loại bỏ.
Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý Nitơ gồm phương pháp hóa học, phương
pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên, việc áp dụng các
quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất Nitơ là vấn đề cần được chú ý
và đẩy mạnh hơn nữa. Đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để
phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tạo ra các sản phẩm có lợi như carbonic,
nước và các chất vô cơ khác, do vậy là phương pháp tiết kiệm chi phí và thân thiện
với môi trường.
Trong thực tế các phương pháp sinh học để loại bỏ Nitơ đã và đang áp dụng tại
một số hệ thống xử lý nước thải, nhưng các tài liệu có liên quan còn rời rạc, tản mạn,
chưa được nghiên cứu nhiều, tài liệu còn rời rạc chưa sắp xếp lại thành hệ thống có
tính logic chặt chẽ. Đó cũng là lý do để đề tài “tìm hiểu một vài quá trình sinh học
loại bỏ Nitơ trong nước thải” ra đời.
SVTH: Võ Chí Tâm 1 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi

1.2. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng bổ sung, tìm hiểu, sắp xếp, lựa chọn tài liệu làm cơ sở lý thuyết cho
phương pháp loại Nitơ bằng quá trình sinh học.
1.2.2. Nội dung nghiên cứu
• Nguồn gốc, các dạng tồn tại của Nitơ trong nước và ảnh hưởng đến môi
trường.
• Bản chất các quá trình sinh học chuyển hóa các hợp chất chứa Nitơ được ứng
dụng trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải.
• Ứng dụng các quá trình sinh học để xử lý các hợp chất chứa Nitơ trong nước
và nước thải.
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu
Do đề tài chỉ hình thành trên cở sở lý thuyết mà không tiến hành thí nghiệm hay
tiến hành làm thực nghiệm nên phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là phương
phương pháp hồi cứu:
Trong quá trình thực hiện đề tài, tiến hành thu thập, sưu tầm các thông tin, tài
liệu, số liệu, có liên quan đến nội dung nghiên cứu từ các tạp chí, sách báo, giáo
trình, internet,…từ đó các kiến thức sẽ được lựa chọn và tổng hợp lại làm cơ sở cho
quá trình thực hiện đề tài.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
Khóa luận được thực hiện trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu các phương pháp xử lý
Nitơ trong nước thải, tổng hợp lại các tài liệu quan có từ trong sách, báo, giáo trình,
với mong muốn bổ sung và hoàn chỉnh hơn các vấn đề có liên hoan đến phương pháp
loại bỏ Nitơ bằng quá trình sinh học
SVTH: Võ Chí Tâm 2 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
CHƯƠNG 2
NGUỒN GỐC, CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA NITƠ TRONG NƯỚC
VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG
2.1. Các dạng tồn tại của các hợp chất chứa Nitơ trong nước

Nguyên tố Nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật sống và
trong thành phần các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa. Đồng thời nó cũng tồn tại
ở nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên.
Nguyên tố Nitơ có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N
-3
) là
amoniac đến dạng oxy hóa (N
+5
) là nitrat. Bảng 2.1. ghi các trạng thái hóa trị của
nguyên tố nitơ và hợp chất hóa học đại diện cho trạng thái hóa trị đó.
Bảng 2.1 Trạng thái hóa trị của nguyên tố nitơ trong hợp chất hóa học
Trong môi trương nước tự nhiên không bị ô nhiễm, các hợp chất amoniac, hợp
chất hữu cơ chứa Nitơ, dạng khí, nitrat và nitrit có nồng độ không đáng kể. Tuy vậy
chúng là nguồn Nitơ cho phần lớn sinh vật đất và nước. Vi sinh vật sử dụng nguồn
Nitơ kể trên vào tổng hợp axit amin, protein, tế bào và chuyển hóa năng lượng.
Trong các quá trình đó, hợp chất Nitơ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp
chất hóa học khác.
Nguồn phát thải hợp chất Nitơ vào môi trường rất phong phú: từ các chất thải rắn,
khí thải, nước thải nhưng quan trọng nhất là từ phân và chất bài tiết trong nước thải
sinh hoạt.
2.2. nguồn gốc của các hợp chất chứa Nitơ trong nước thải
2.2.1. Nguồn nước thải sinh hoạt
SVTH: Võ Chí Tâm 3 MSSV: 0811110072
Hợp chất Công thức hóa học Hớa trị
Amoni/amoniac NH
4
+
/NH
3
-3

Khí nitơ N
2
0
Dinitơ oxit N
2
O +1
Nitơ oxit NO +2
Nitrite NO
2
-
-N +3
Nitơ dioxit NO
2
+4
Nitrate NO
3
-
-N +5
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Thành phần Nitơ trong thức ăn của người và động vật nói chung chỉ được cơ
thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng rắn (phân) và các chất bài
tiết khác (nước tiểu, mồ hôi).
Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh, tắm, giặt, nước rửa rau, thịt,
cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại,
bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, vui chơi, giải trí. Chúng thường được
thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất Nitơ trong nước thải bao gồm amoniac,
protein, peptit, axit min cũng như các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng.
Mỗi người hằng ngày tiêu thụ 5 – 16g Nitơ dưới dạng protein và thải ra khoảng 30%
trong số đó. Hàm lượng Nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân 8 lần. Các hợp
chất chứa Nitơ, đặc biệt là protein, và urea trong nước tiểu bị thủy phân rất nhanh tạo

thành amoni/amoniac. Trong các bể phốt xảy ra các quá trình phân hủy yếm khí các
chất thải, làm giảm lượng carbon hữu cơ nhưng không làm giảm hợp chất Nitơ đáng
kể. Chỉ một phần nhỏ tham gia vào cấu trúc tế bào vi sinh vật. Hàm lượng hợp chất
Nitơ trong nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân hủy
yếm khí.
Trong nước thải sinh hoạt, nitrate và nitrite có hàm lượng rất thấp do nồng độ
oxy hòa tan và mật độ vi sinh tự dưỡng thấp. Thành phần amoni chiếm 60 – 80%
hàm lượng Nitơ tổng trong nước thải sinh hoạt.
Nồng độ hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt biến động theo lưu lượng
nguồn thải: mức độ sử dụng nước của cư dân, mức độ tập trung các dịch vụ công
công, thời tiết, khí hậu trong vùng, tập quán ăn uống sinh hoạt…
Bảng 2.3 Sau đây thể hiện các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt bao
gồm cả ô nhiễm bởi các hợp chất chứa Nitơ.
Bảng 2.2. Các đặc trưng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt
SVTH: Võ Chí Tâm 4 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Thành phần Đơn vị
Nồng độ
Khoảng Đặc trưng
Chất rắn mg/l 350 – 12000 700
Cặn không tan mg/l 100 – 350 210
BOD mg/l 110 – 400 210
COD mg/l 250 – 1000 500
Nitơ tổng (N) mg/l 20 – 85 35
NH
3
-N mg/l 12 – 50 22
(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)
Bảng 2.3. Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt
2.2.2. Nguồn nước thải công nghiệp

Ô nhiễm do hợp chất Nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan đến chế biến thực
phẩm, sản xuất phân bón hay liên quan đến một số ngành nghề đặc biệt chế biến mủ
cao su, chế biến tơ tằm thuộc da.
Chế biến thực phẩm thải một lượng đáng kể hợp chất chứa Nitơ liên quan đến
loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ
các loại thịt, sữa, đậu, nấm…
Nước thải từ khâu giết mổ chứa một lượng máu, mỡ, phân cùng các mảnh thịt
vụn, nước thải từ khâu giết mổ được thu gom cùng với nước vệ sinh dụng cụ.
Hợp chất chứa Nitơ nhanh chóng được tiết ra từ các thành phần rắn vào nước
với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán, nhiệt độ môi trường và loại sản phẩm chế
biến.
SVTH: Võ Chí Tâm 5 MSSV: 0811110072
Chỉ tiêu Trung bình (mg/l)
Tổng Nitơ 40
- Nitơ hữu cơ 15
- Nitơ Amoni (NH
3
+ NH
4
+
) 25
- Nitơ Nitrit (NO
2
-
) 0,05
- Nitơ Nitrat (NO
3
-
) 0,2
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi

Quá trình sản xuất một số loại hóa chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra lượng
khá lớn hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, các hợp chất này dễ bị thủy phân trong môi
trường và tạo ra amoniac.
Bảng 2.4. Nồng độ đặc trưng ô nhiễm N tổng thường tìm thấy trong một số loại nước
thải công nghiệp.
Nguồn Nồng độ Nitơ tổng (mg/l)
- Giết mổ
115
- Chế biến thịt
76
- Chế biến
+ Cá da trơn
+ Cua
+ Tôm
+ Cá
33
94
215
30
- Chế biến rau, quả, đồ uống
4
- Chế biến tinh bột
21
- Rượu vang
40
- Hóa chất, phân bón
+ NH
3
-N
+ NO

3
—
N
1270
550
(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)
Nồng độ hợp chất Nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến động rất mạnh,
không chỉ trong mùa vụ mà cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến
thực phẩm sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm.
2.2.3. Nguồn thải từ nông nghiệp và chăn nuôi
Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm, lân cho cây trồng vì
các yếu tố trên thiếu trong đất trồng trọt. Trong rất nhiều trường hợp người ta còn sử
dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất Nitơ trong đó để làm
phân bón cho cây trồng. Điều đáng bàn là ở chỗ một lượng khá lớn phân bón mà cây
trồng không hấp thu được do nhiều nguyên nhân: phân hủy, rửa trôi (phân đạm urê,
phân lân, phân tổng hợp NPK) hoặc do tạo thành dạng không tan, nhất thời cây trồng
SVTH: Võ Chí Tâm 6 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
không thể hấp thu (phân lân). Trong môi trường nước, urê rất dễ dàng bị thủy phân
tạo thành amoniac và khí carbonic:
Lượng Nitơ trong phân urê chiếm 46%, tuy nhiên do diện phân bố rộng nên
hàm lượng amoniac trong nước mặt không cao. Mặt khác khi tồn tại trong nước
amoniac cũng bị các loại thủy thực vật khác như rong, rêu, tảo, cỏ dại hấp thu và một
phần chuyển hóa thành dạng hợp chất khác như nitrate do hoạt động của vi sinh vật.
Nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc có lưu lượng nhỏ hơn
so với nước sinh hoạt, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ
chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rác, bùn đất,
thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ tiết ra từ các chất thải rắn khi
gặp nước.
Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì

các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau. Nồng độ hợp chất hữu cơ tăng dần
theo thời gian lưu nước thải do lượng chất thải hữu cơ có khả năng sinh hủy rất lớn ,
trong thời gian lưu giữ chúng bị phân hủy yếm khí tạo ra metan và khí carbonic trong
khi hợp chất Nitơ hầu như không bị biến động, trong khi đó các vi sinh vật bị chết
cũng tiếp tục phân hủy tạo ra hợp chất Nitơ.
Các kết quả đánh giá cho thấy, thủy động vật chỉ hấp thu được khoảng 25 –
40% lượng Nitơ trong thức ăn tổng hợp. Do hiệu quả hấp thu Nitơ từ thức ăn không
cao, phần còn dư nằm trong nước nuôi với hàm lượng khoảng 360mg/m
2
/ngày. Phân
tôm cá, thức ăn thừa và chất bài tiết cũng làm tăng nồng độ hợp chất Nitơ trong nước
nuôi, nhất là khi phân và thức ăn thừa không được thu gom và tách ra khỏi nguồn
nước nuôi kịp thời.
Hợp chất Nitơ nhanh chóng bị thủy phân thành amoniac và được tảo hấp thu
(hàm lượng protein thô trong tảo khô chiếm khoảng 50%, tương ứng với 8% N). Tảo
là nguồn thức ăn trực tiếp cho vật nuôi và của loài động vật phù du (nhỏ), mà động
vật phù du là thức ăn của loài cá. Khi hệ sinh thái trên ổn định thì mức độ ô nhiễm
trong hồ không lớn.
2.2.4. Nước rác
SVTH: Võ Chí Tâm 7 MSSV: 0811110072
CO
2
(NH
2
)
2
+ H
2
O CO
2

+ 2NH
3
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Rác thải sinh hoạt từ các đô thị, thành phố có khối lượng khá lớn. Tại các
thành phố lớn ở Việt Nam, lượng rác thải bình quân tính theo đầu người là 0,6 – 0,8
kg/người/ngày. Thành phần chủ yếu của rác thải là chất hữu cơ (rau, quả, củ, thực
vật…) nhưng một lượng đáng kể các tạp chất vô cơ: gạch, sợi, xỉ than, sành, sứ, thủy
tinh đặc biệt là polyme phế thải (bao bì) cũng thường có mặt.
Ở các nước đang phát triển, việc phân loại rác thải tại nguồn chưa được thực
hiện rộng rãi, thường được thu gom chung và mang chôn lấp tại các bãi rác, đôi khi
sử dụng một phần để sản xuất phân bón hữu cơ.
Thành phần hữu cơ chứa Nitơ trong rác chủ yếu là protein và một lượng nhỏ
hơn các hợp chất axit nucleic, chitin, urê, các sản phẩm phân hủy từ thức ăn, xác
động vật. Trong quá trình phân hủy yếm khí, protein và các hợp chất chứa Nitơ bị
thủy phân bởi enzym do vi sinh yếm khí và một phần hiếu khí tạo ra axit amin và
tiếp tục thành amoni và carbon dioxit cùng với axit dễ bay hơi. Một lượng không lớn
axit amin, amoni được vi sinh vật sử dụng để cấu tạo tế bào, lượng còn dư tồn tại
trong nước rác.
Nước rác được tách khỏi bãi chôn và thường được gom về các hồ chứa khi
được xử lý và thải ra môi trường. Sự biến động về nồng độ chất hữu cơ (BOD, COD)
và hợp chất Nitơ trong nước thải dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện vật lý
(gió, mưa, nóng lạnh) và thực vật là đối tượng đáng quan tâm khi đánh giá đặc trưng
của nước rác.
Hợp chất Nitơ trong các hồ gồm có: chất hữu cơ chứa Nitơ, amoni, nitrite,
nitrate dạng tan trong nước và trong cấu trúc tế bào của vi sinh vật và tảo. Trong hồ
yếm khí, hợp chất Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni, một phần nằm trong tế bào của
vi sinh vật yếm khí. Do không tách được sinh khối ra khỏi nước nên khi phân hủy,
amoni được “trả lại” hầu như trọn vẹn trong môi trường nước.
2.3. Ảnh hưởng của các hợp chất chứa Nitơ đến môi trường
2.3.1. Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng

Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ
sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều Amoniac có thể gây
độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước. Khi
hàm lượng Nitơ trong nước cao có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có
SVTH: Võ Chí Tâm 8 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxy hoà tan trong nước giảm mạnh gây ngạt
cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý Nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất Nitơ đi vào trong chuỗi
thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrate tạo chứng
thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các hợp chất nitrosamin là
nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrate
lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi vào cơ thể, nitrate chuyển hóa
thành nitrite nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrite còn nguy hiểm hơn nitrate đối với
sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể
người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa Nitơ gây ung thư. Trong cơ thể
nitrite có thể oxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng oxy
trong máu dẫn đến ngạt, buồn nôn, thậm chí nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
2.3.2. Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh
dưỡng. Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như rêu,
tảo dẫn đến thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng nước, phá
hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong nước như
NH
4
+
, H
2
S, CO
2

, CH
4
tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước. Hiện tượng đó
gọi là phú dưỡng nguồn nước.
Đa số các hồ ở Hà Nội đang ô nhiễm nghiêm trọng bởi nước thải và trầm tích.
Lưu lượng nước thải chảy vào vượt quá khả năng tự làm sạch của các hồ. Các dòng
chảy vào hồ thậm chí làm bốc mùi hôi nồng nặc.
Hiện tượng phú dưỡng hay còn gọi là hiện tượng tảo nở hoa. Nhiều tảo xanh và
các loài thực vật nổi phát triển rất nhanh trong nước hồ. Sau khi chết đi, các loại tảo
tích tụ tại đáy hồ ngày càng dày thêm. Quá trình phân hủy của chúng kéo theo sự tiêu
thụ lớn về oxy trong nước, làm biến mất các loài thủy sinh khác, đồng thời giải tỏa
các chất khí có hại và hôi thối.
2.3.3. Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước
SVTH: Võ Chí Tâm 9 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu
quả làm việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất
trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.
CHƯƠNG 3
SVTH: Võ Chí Tâm 10 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
BẢN CHẤT CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC CHUYỂN HÓA CÁC
HỢP CHẤT CHỨA NITƠ ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG
KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI
3.1. Sơ lược về chu trình của Nitơ trong môi trường nước tự nhiên
Trong môi trường nước, Nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ hòa
tan hay không hòa tan. Các hợp chất vô cơ quan trọng của Nitơ là NH
3
, NH
4

+
, NO
2
-
,
NO
3
-
.
Nitơ dạng khí có được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngoài không khí vào hay còn
có thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hóa. Các dạng hợp chất vô cơ hòa
tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, Nitơ lắng đọng dưới dạng
albumine và dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ tiếp tục phân hủy thành
ammoniac (NH
3
) và sau đó ammoniac sẽ hòa tan vào nước tạo ra NH
4
+
. Sau đó, NH
3
và ion NH
4
+
sẽ biến đổi thành dạng nitrite (NO
2
-
) và nitrate (NO
3
-
) nhờ hoạt động của

vi khuẩn nitrite và nitrate hóa. Thực vật có thể hấp thu nhiều dạng đạm nói trên
nhưng khả năng hấp thu NH
4
+
và NO
3
-
là tốt nhất, (mỗi loài thực vật ưa một dạng
đạm khác nhau). Trong khi đó, một số loài vi khuẩn và tảo lại có khả năng sử dụng
Nitơ phân tử nhờ quá trình cố định Nitơ.
Hầu hết đạm NO
3
-
được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá trình
sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy. Đạm chứa trong tảo
bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác. Hai quá trình yếm khí
là cố định Nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đó, quá trình
phản nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sông hay đất ngập nước.
Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật, động
vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan.
SVTH: Võ Chí Tâm 11 MSSV: 0811110072
N
2
O N
2
Thực vật phù du
Động vật phù du
Cá
Cố định đạm
Vi khuẩn

Bài tiết
Nitrate hóa
Sinh trưởng
Sinh trưởng
Mảnh vụn
Sông, suối, nước mưa, nước thải có
chứa Nitrate và Ammoniac
N
2
O
NO
3
NO
2
NH
4
Bùn đáy
NO
2
yếm khí
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Hình 3.1. Chu trình Nitơ trong nước
Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong môi trường nước diễn
ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí. Trong điều kiện hiếu
khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các hợp chất vô cơ, giúp
làm sạch môi trường nước. Trong điều kiện kỵ khí, các axit amin không được vô cơ
hóa hoàn toàn, bên cạnh NH
3
và CO
2

còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác
như axit hữu cơ, rượu, H
2
S và các sản phẩm bốc mùi khó chịu chothủy vực.
Quá trình amon hóa protein giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần
hoàn Nitơ. Nhờ quá trình này mà Nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon dễ
dàng được thực vật sử dụng. Nhờ quá trình này mà NH
3
luôn luôn được phục hồi,
cung cấp cho thực vật thủy sinh. Có nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào
quá trình này, chủ yếu là các loài của giống Bacillus như: Bacillus mesentericus,
Bacillus mycoide, Bacillus sustilis,…
SVTH: Võ Chí Tâm 12 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa trong môi trường nước đi cùng quá
trình đồng hóa CO
2
cho cơ thể. Ở thủy vực nước ngọt có các loài thuộc giống
Nitrobacter và trong các thủy vực nước lợ, mặn có Nitrospina gracilic và
Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hóa phân bố rất ít trong các thủy vực sạch,
nghèo dinh dưỡng, trong các thủy vực giàu dinh dưỡng số lượng của chúng có nhiều
hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khỏang 10 tế bào/ml nước. Quá trình nitrate hóa chỉ
xảy ra khi có mặt của oxy, nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi
trường yếm khí với sự có mặt của các chất hữu cơ sẽ xảy ra quá trình ngược lại với
quá trình nitrate hóa là quá trình phản nitrate. Quá trình này khử nitrate qua nitrite
thành NO, N
2
O.
Vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hóa bao gồm bao gồm các loại kỵ
khí không bắt buộc như: Pseudomonas, Bacillus Trong điều kiện hiếu khí, chúng

oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy của không khí, còn trong điều kiện kỵ khí, chúng
tiến hành oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng con đường khử hydro để chuyển hydro
cho nitrate và nitrite. Quá trình này không có lợi vì nó làm mất Nitơ trong thủy vực
và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH
3
, NO
2
-
. Trong đa số sinh
cảnh, vi sinh chỉ có thể khử nitrate thành nitrite, chứ không có thể khử tiếp thành các
dạng hợp chất khác. Do đó, ở đâu có quá trình phản nitrate hóa xảy ra mạnh thì ở đó
có nhiều nitrite.
Trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định Nitơ phân tử được thực hiện bởi
các loài vi khuẩn Azotobacter như: Azotobacter Agile và Azotobacter chroococcum.
Ở sông, hồ thì hầu như gặp chúng ở mọi nơi. Tại phần lắng đọng yếm khí, quá trình
cố định Nitơ phân tử được thực hiện bởi giống Clostridium như Clostridium
pateurianum. Gần đây, người ta đã xác định ngoài các loài thuộc giống Azotobacter
và Clostridium thì còn có một số loài vi khuẩn khác cũng có khả năng đồng hóa Nitơ
phân tử bao gồm cả vi khuẩn quang tự dưỡng lẫn dị dưỡng. Tuy nhiên, hiệu quả gắn
kết Nitơ thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hóa một
lượng Nitơ đáng kể. Chúng chỉ có vai trò ở những phần lắng đọng yếm khí, còn
trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định Nitơ phân tử được thực hiện chủ yếu
bởi các loài tảo xanh thuộc giống Nostoc, Phormidium, Calothrix, bởi vì các giống
tảo này thường rất nhiều trong các thủy vực.
SVTH: Võ Chí Tâm 13 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
3.2. Các quá trình sinh học chuyển hóa các hợp chất chứa Nitơ được ứng dụng
để xử lý nước và nước thải
3.2.1. Quá trình amon hóa
Là quá trình phân hủy chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ trong điều

kiện hiếu khí hoặc yếm khí dưới tác dụng của các loại vi sinh vật để tạo thành các
hợp chất đơn giản là (NH
4
+
) hoặc NH
3.
Quá trình amon hóa bao gồm.
3.2.1.1 Amon hóa urê
Urê có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22%
nước tiểu. Trong công thức cấu tạo, urê chứa tới 46,6% Nitơ, vì thế nó là nguồn dinh
dưỡng đạm tốt với cây trồng. Tuy nhiên, thực vật không thể đồng hóa trực tiếp urê
mà phải qua quá trình amôn hóa. Quá trình amon hóa chia làm hai giai đoạn.
Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, urê
sẽ bị phân hủy tạo thành muối carbonat amoni. Sau đó, carbonat amoni được phân
giải thành NH
3
, CO
2
và H
2
O.
Một số loài vi khuẩn có khả năng amon hóa urê, chúng đều tiết ra enzym
ureaza. Trong đó có một số loài phân giải cao như: Micrococcus ureae, Bacillus
amylovorum, Proteus vulgaris…. Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí hoặc kỵ khí
không bắt buộc, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm.
3.2.1.2. Amon hóa protein
Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật. Protein chứa 15 – 17%
Nitơ nhưng cây trồng và thực vật nước không thể hấp thụ trực tiếp protein mà phải
thông qua sự phân hủy của vi sinh vật. Quá trình này có thể xảy ra trong điều kiện
hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra

enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase. Enzyme protease xúc tác quá
trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)
n
trong phân tử protein,
polypeptide tạo sản phẩm là acid amin.
Dưới tác dụng của enzyme proteinase, phân tử protein sẽ được phân giải
thành các polypeptide và oligopeptide. Sau đó dưới tác dụng của enzym
SVTH: Võ Chí Tâm 14 MSSV: 0811110072
CO(NH
2
)
2
+ 2H
2
O (NH
4
)
2
CO
3
(giai đoạn 1)
(NH
4
)
2
CO
3
2NH
3
+ CO

2
+ H
2
O (giai đoạn 2)
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
pedtidase các polypedtit và oligopeptide sẽ được phân giải thành các axit
amin. Một phần axit amin sẽ được tế tào vi sinh vật hấp thu làm chất dinh
dưỡng. Phần khác sẽ thông qua quá trình khử amin tạo thành NH
3
và nhiều
sản phẩm trung gian khác. Sự khử amin có thể xảy ra theo các phương thức
sau:
R – CH(NH
2
)COOH  R – CHCOOH + NH
3
R – CH(NH
2
)COOH +H
2
O  R – CH
2
OH – COOH + CO
2
+ NH
3
R – CH(NH
2
)COOH + ½ O
2

 R – CO – COOH + NH
3
R – CH(NH
2
)COOH + O
2
 R – COOH + CO
2
+ NH
3
R – CH(NH
2
)COOH +H
2
O  R – CO – COOH +NH
3
+ 2H
Một số axit amin bị deamin hóa bởi VSV nhờ enzym deaminase, một trong
những sản phẩm cuối cùng là amon. Nhiều vi sinh vật có khả năng amon hóa protein.
Trong nhóm vi khuẩn có Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, Bacillus subtilis,
Pseudomona fluorescens, Clostridium sporogenes Xạ khuẩn có Streptomtces
rimosus, Stretomyces griseus
3.2.2. Quá trình nitrate hóa
Quá trình nitrate hoá là quá trình oxy hoá sinh hoá Nitơ các muối amon, đầu
tiên thành nitrite và sau đó thành nitrate dưới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong
điều kiện thích ứng.
Vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa gồm hai nhóm:
 Vi khuẩn nitrite oxy hóa amoniac thành nitrite (giai đoạn 1).
 Vi khuẩn nitrate oxy hóa nitrite thành nitrate (giai đoạn 2).
Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau:

Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp ba lần so với giai đoạn thứ hai.
Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg
Nitơ của muối amon ở giai đoạn nitrite là 343 mg O
2
. Sự có mặt của nitrate trong
nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ.
SVTH: Võ Chí Tâm 15 MSSV: 0811110072
2 NH
3
+ 3 O
2
2 HNO
2
+ 2 H
2
O (giai đoạn 1)
2 HNO
2
+ O
2
2 HNO
3
(giai đoạn 2)
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Quá trình nitrite hóa còn có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước
thải. Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ như đã trình bày ở
trên. Nhưng quan trọng hơn quá trình nitrate hóa còn tích lũy được một lượng oxy dự
trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa Nitơ khi lượng oxy tự do
(oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn.
3.2.2.1. Giai đoạn nitrite hóa

Là giai đoạn oxy hóa NH
4
+
tạo thành NO
2
-
được tiến hành bởi các vi khuẩn
nitrite hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH
4
+
bằng oxy
không khí và tạo ra năng lượng.
Năng lượng để đồng hóa CO
2
tạo ra carbon hữu cơ. Enzym xúc tác cho quá
trình này là các enzym của quá trình hô hấp hiếu khí. Nhóm vi sinh vật nitrite hóa
bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus,
Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên
môi trường có chất hữu cơ.
3.2.2.2. Giai đoạn nitrate hóa
NO
2
-
tạo ra tiếp tục được oxy hóa thành NO
3
-
bởi nhóm vi khuẩn nitrate hóa.
Đây cũng là các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxy hóa nitrite để
cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa.
Nhóm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira,

Nitrococcus. Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, còn có một số loài vi
sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrat hóa. Đó là loài vi khuẩn và xạ
khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces
3.2.3. Quá trình phản nitrate
Quá trình phản nitrat hay còn gọi là quá trình khử nitrate là quá trình tách oxy
khỏi nitrite, nitrate dưới tác dụng của các vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn khử nitrate). Oxy
được tách ra từ nitrite và nitrate được dùng lại để oxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình
này có kèm theo hiện tượng Nitơ tự do được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.
SVTH: Võ Chí Tâm 16 MSSV: 0811110072
NO
2
-
+ ½ O
2
NO
3
-
+ năng lượng
NH
4
+
+ 3/2 O
2
NO
2
-
+ H
2
O + 2H
+

+ Năng lượng
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Vi sinh vật thực hiện quá trình khử trên có tên chung là Denitrifier. Phần lớn
loại vi sinh vật trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrate,
nitrite làm chất oxy hóa để sản xuất ra năng lượng.
Quá trình khử nitrate thường được nhận dạng là khử nitrate yếm khí, tuy nhiên
diễn biến quá trình sinh hóa không phải là quá trình hô hấp yếm khí mà nó giống quá
trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrate, nitrite
làm chất oxy hóa. Vì vậy thực chất quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu
khí (anoxic).
Để khử nitrate, vi sinh vật cần có chất khử, chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc
chất vô cơ như H
2
, S, Fe
2+
. Phần lớn vi sinh vật nhóm Denitrifier thuộc loại dị
dưỡng, sử dụng nguồn carbon để xây dựng tế bào (ngoài phần sử dụng cho phản ứng
nitrate). Quá trình khử nitrate xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm
hóa trị của nguyên tố Nitơ từ +5, về +3, +2, +1 và 0:
Quá trình amon hóa nitrate do một số vi khuẩn dị dưỡng tiến hành trong điều
kiện hiếu khí có chức năng cung cấp NH
4
+
cho tế bào vi khuẩn để tổng hợp axit
amin. Tuy nhiên quá trình amon hóa nitrate không có ý nghĩa về diện môi trường, do
hàm lượng N trong nước hầu như không đổi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng
khác.
Phản ứng khử NO
3
-

N
2
chỉ xảy ra trong điều kiện thiếu khí. Khi đó, NO
3
-
là
chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi hô hấp thiếu khí và năng lượng tạo thành
dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào.
Đây là quá trình được ứng dụng rộng rãi hiện nay để loại bỏ Nitơ trong nước và
nước thải.
Song song với quá trình khử nitrate, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi
đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng phản ứng cần
thiết cho phản ứng hóa học. Các chất hữu cơ mà vi sinh vật Denitrifier có thể sử
dụng khá đa dạng: từ nguồn nước thải, các hợp chất hóa học xác định được đưa từ
ngoài hoặc các chất hữu cơ hình thành từ phân hủy nội sinh.
SVTH: Võ Chí Tâm 17 MSSV: 0811110072
NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2
NO
3
-
NO

2
-
NO NH
2
OH NH
3
NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
3.2.4. Quá trình oxy hóa kỵ khí amoni (Anammox)
Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa N mới chưa từng được biết đến trước
đó, về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đã được phát hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ
khí Ammonium (Anaerobic Ammonia Oxidation, viết tắt là Anammox) trong đó
ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kỵ khí, không cần sự cung cấp
chất hữu cơ, để tạo thành phân tử.
Theo kết quả nghiên cứu, sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có
khả năng oxy hóa amoni bởi nitrate, nitrite và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ
xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử.
Trên cơ sở phát hiện vi khuẩn và phản ứng Anammox, chu trình chuyển hóa
Nitơ tự nhiên có trong sách giáo khoa từ lâu đã được bổ sung một mắt xích mới. Các
nghiên cứu từ cuối thập niên 1990 đã làm rõ nhiều khía cạnh của Anammox về mặt
hóa sinh học, vi sinh học, sinh học phân tử,…

Hình 3.2. Chu trình Nitơ có thêm mắt xích Anammox
3.2.4.1. Hóa sinh học của Anammox
Phản ứng Anammox đã được xác nhận là sự oxy hóa amoni bởi nitrite,
phản ứng hóa học đơn giản với tỷ lệ mol NH
4
+
: NO
2
-
= 1:1 như ở phương
trình (A-b). Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu
với kỹ thuật mẻ liên tục (SBR), có tính đến sự tăng trưởng sinh khối, phản
ứng Anammox đã được xác định với các hệ số tỷ lượng như sau:
SVTH: Võ Chí Tâm 18 MSSV: 0811110072
NH
4
+
+ 1.32 NO
2
-
+ 0.066 HCO
3
-
+ 0.13 H
+
1.02 N
2
+ 0.26 NO
3
-

+
0.066CH
2
O
0.5
N
0.15
+ 2.03 H
2
O (A-c)
NH
4
+
+ NO
2
-
N
2
+ 2H
2
O (A-a)
NH
4
+
+ ½ O
2
NO
2
-
+ 2H

+
+ H
2
O (A-b)
N
2
NO
2
NH
4
+
Khử nitrate Cố định Nitơ
NO
3
Đồng hóa
Thối rửa
N – hữu cơ
Anammox
Nitrate hóa
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Sự tạo thành lượng nhỏ từ nitrate từ nitrite được giả thiết là để sinh ra các
đương lượng khử khi đồng hóa CO
2
. Cơ chế chuyển hóa nội bào của phản ứng
Anammox đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.
3.2.4.2. Vi sinh học của Anammox
Đến nay, đã có 3 chi vi khuẩn Anammox được phát hiện, gồm Brocadia,
Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn Anammox là những thành
viên mới tạo thành phân nhánh sau của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetles.
Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương

pháp mẻ liên tục (SBR). Kết quả cho thấy vi khuẩn đã được đặt tên là Candidatus
Brocadia anammoxidans.
Năm 2000, 2001, 2002 trên cơ sở nghiên cứu, các vi khuẩn Anammox phát
hiện được ở hệ thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức), sau Thụy Sĩ và Bỉ, được xác định
là mới (độ tương tự dưới 90% so với Brocadia anammoxidans) và được đặc tên là
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis.
Các loài Anammox khác đã được phát hiện từ đĩa quay sinh học nitrate hóa tại
một nhà máy xử lý nước thải ở Pitsea (Anh) và đã được đặt tên là Candidatus
“Scalindua brodae”, Candidatus “Scalindua wagneri”.
Một số đặc điểm sinh lý của vi khuẩn Anammox bao gồm nó có thể hoạt động trong
khoảng nhiệt độ từ 20 – 43
0
C (tối ưu ở 40
0
C), pH 6.6 – 8.3 (tối ưu ở pH 8.0). Ở điều
kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 mol NH
4
+
-N/g protein/min.
Tuy nhiên, vi khuẩn Anammox sinh trưởng rất chậm (thời gian thế hệ hơn 10 ngày).
3.2.5. Quá trình đồng hóa Nitơ ở thực vật nước
Thực vật nuôi trồng trong hệ ngập nước có tác dụng xử lý nước thải và là nguồn
sinh khối có khả năng tận dụng cho một số mục đích khác nhau. Hệ ngập nước có thể
phân thành các dạng chính là: nguồn nước nuôi trồng thực vật nổi và thực vật chìm
trong nước, loại thực vật nửa nổi nửa chìm (rể bám trong thân và lá nằm trong nước
và không khí).
Tác dụng xử lý dinh dưỡng của các vùng ngập nước là: hấp thu do thủy thực
vật, hoạt động vi sinh vật, một số phản ứng hóa học. Các cơ chế trên xử lý dinh
dưỡng từ nước thải trên tác động tương tác lẫn nhau và xảy ra đồng thời trong hệ
SVTH: Võ Chí Tâm 19 MSSV: 0811110072

Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
nhưng với tốc độ khá mạnh theo chu kỳ thời gian. Thủy thực vật sử dụng cần đáp
ứng được tiêu chí sau để lựa chọn:
 Hiệu suất sinh khối (sản lượng lớn)
 Khả năng tích lũy dinh dưỡng cao
 Có khả năng vận chuyển oxy từ không khí vào đất và nước.
 Phát triển tốt trong các điều kiện thời tiết.
Ngoài khả năng hấp thu dinh dưỡng cao từ nước thải, các loại thủy thực vật
còn đóng vai trò chất mang của vi sinh vật và nhờ tương tác giữa thực vật với vi sinh
để tăng cường hiệu quả xử lý các chất gây ô nhiễm.
Mức độ tích lũy dinh dưỡng trong tế bào thực vật được quyết định bởi tốc độ
tăng trưởng sinh khối và thành phần dinh dưỡng trong tế bào thực vật. Bảng 3.1 ghi
sản lượng của một số loại thực vật, hàm lượng protein thô trong sản phẩm và sản
phẩm thu hoạch tính theo protein.
Bảng 3.1. Sản lượng và thành phần đạm của một số thực vật
Loại cây
Sản lượng
(t/ha/năm)
Protein thô (%)
Sản lượng protein
(kg/ha/năm)
Bèo tấm 17,60 37 6510
Đậu tương 1,59 41,7 660
Hạt bông 0,76 24,9 190
Lạc 3,12 23,6 380 – 740
Cỏ Alfalfa 4,37 – 15,69 15,9 – 17,0 690 - 2670
(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)
Đặc trưng tích lũy protein cao của bèo tấm chứng tỏ tiềm năng tách loại dinh
dưỡng từ nước thải của loại thực vật này. Khả năng hấp thu Nitơ của một số loài thực
vật nước ở nhiều địa phương khác nhau được ghi trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Khả năng hấp thu Nitơ của một số loài thủy thực vật nổi trong mùa hè
SVTH: Võ Chí Tâm 20 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Địa phương Loại thực vật
Tốc độ hấp thu của Nitơ
(g. m
2
/ngày)
Florida USA Bèo tây 1,30
Florida USA Rau diếp nước 0,99
Florida USA Đồng tiền nước 0,37
USA Bèo tấm 1,67
Ấn Độ Bèo tấm 0,5
Bangladesh Bèo tấm 0,26
(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)
Thành phần của nước thải cũng ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và hàm
lượng protein trong sản phẩm.
Bảng 3.3. Sản lượng bèo tấm sinh trưởng trong các loại nước thải
Loài Môi trường nước
Sản lượng (tấn
khô/ha/năm)
Protein thô (%)
S. polyrrhiza Nước thải sinh hoạt
17 – 32 _
L. minor Nước sau xử lý yếm khí
10,7 28,9
L. gibba Nước cống sau tiền xử lý
55 30
L. gibba Nước thải sinh hoạt
10,9 – 54,8 30 – 40

S. polyrrhiza
Nước thải từ bể phốt 9,2 – 21,4 24 – 28
L. perpusilla
W. arrhiza
Lemma spp Nước thải sinh hoạt
27 37
S. polyrrhiza Nước thải sinh hoạt
17,6 – 31,5 30
(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)
Thực vật nữa chìm nữa nổi mọc khá phổ biến tại các dẻo đất dọc bờ ao, hồ, có
nhiều cây thuộc loại lưu niên, tốc độ tăng trưởng sinh khối và tích lũy dinh dưỡng
cao. Loại thực vật nữa chìm nữa nổi thường sử dụng để xử lý gồm: cỏ đuôi mèo, cây
sậy và cây cỏ nên. Các loại thực vật trên phân bố rộng ở các vùng khí hậu. Về mùa
đông phần thân trên thường bị chết, phần thân gốc và rễ tích lũy năng lượng để tiếp
tục phát triển khi đến mùa xuân vào.
SVTH: Võ Chí Tâm 21 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Thực vật nữa chìm nữa nổi có khả năng sinh trưởng và phát triển trong nhiều
loại nước thải. Đặc trưng của nước thải ảnh hưởng đến thành phần dinh dưỡng trong
tế bào thực vật.
Tốc độ phát triển của cây trồng ngoài điều kiện dinh dưỡng còn phụ thuộc vào
nguồn carbon từ khí carbonic, khả năng quang hợp của chúng và điều kiện nhiệt độ.
Nhiều loại cây trồng chỉ sinh trưởng và phát triển ở mùa hè, thậm chí lụi tàn về mùa
đông, sự sống chỉ còn tồn tại trong bộ rễ để rồi phát triển trở lại khi có điều kiện đáp
ứng.
 Xử lý chất hữu cơ: chất hữu cơ được chuyển hóa thông qua các quá trình
yếm khí, thiếu khí và hiếu khí. Vai trò của thủy thực vật là vật mang cho
các loài vi sinh vật, chúng phân hủy chất hữu cơ theo các cơ chế tương
ứng với điều kiện môi trường. Do được cung cấp oxy từ thực vật, vi sinh
vật hiếu khí có điều kiện phát triển tốt hơn so với các vùng thiếu oxy.

 Xử lý hợp chất nitơ: ngoài khả năng hấp thu hợp chất Nitơ của thực vật,
các quá trình có liên quan đến tách loại hợp chất Nitơ gồm: nitrate hóa,
khử nitrate và bay hơi amoniac vào khí quyển. Nitrat hóa xảy ra trong ao
hồ nuôi thực vật, phụ thuộc vào mật độ của chúng, các điều kiện khác
(oxy, độ kiềm) là yếu tố ít bị hạn chế. Nhìn chung, mật độ vi sinh tự dưỡng
trong điều kiện bình thường không cao. Quá trình khử nitrat xảy ra chỉ
trong điều kiện thiếu oxy. Cũng trong điều kiện thiếu oxy, quá trình lên
men yếm khí là nguồn cạnh tranh chất hữu cơ với các quá trình khử
nitrate.
CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ CÁC
SVTH: Võ Chí Tâm 22 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
HỢP CHẤT CHỨA NITƠ TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI
4.1. Một số ứng dụng của quá trình nitrat hóa để xử lý Nitơ trong nước và nước
thải
Phần lớn các nguồn nước thải đều chứa đồng thời hợp chất hữu cơ và hợp chất
Nitơ. Khi xử lý hiếu khí (oxy hóa) xảy ra đồng thời hai quá trình oxy hóa độc lập của
vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng với các điều kiện khác nhau nhưng đều có nhu cầu
sử dụng oxy cho các phản ứng sinh hóa, ngoài phần nhu cầu dinh dưỡng khá giống
nhau của hai loại vi sinh trên thì dạng carbon sử dụng làm cơ chất là khác nhau.
Ngoài điều kiện phát triển khác nhau thì tốc độ hay hiệu quả xử lý của hai loại vi
sinh trên cũng rất khác nhau.
Bảng 4.1. Đặc trưng cơ bản của quá trình xử lý BOD và amoni
Đặc trưng
Vi sinh dị
dưỡng
Vi sinh tự
dưỡng
Tiêu thụ oxy (g/gBOD hoặc NH

3
-N) 1,42 4,57
Tiêu thụ kiềm (g/gNH
3
-N) - 7,14
pH tối ưu 6 – 9 7,6 – 8,6
Hiệu suất sinh khối (g/g) 0,6 – 0,7 0,1 – 0,15
Hệ số bán bão hòa oxy (mgO
2
/l) 0,5 – 1,0 0,15 – 2,0
Hệ số tiêu thụ cơ chất riêng k 5 3
Hệ số phân hủy nội sinh 0,06 0,05
Thời gian lưu tế bào Ngắn Dài
(Nguồn: XL nước thải giàu hợp chất N và P, Lê Văn Cát, 2007)
Ở trạng thái hoạt động ổn định tỉ lệ vi sinh tự dưỡng và dị dưỡng phụ thuộc vào tỉ
lệ BOD/NH
4
+
-N. Nếu tỉ lệ BOD/NH
4
+
-N >= 20 thì hàm lượng Nitơ trong nước thải
chỉ đủ hoặc thiếu cho quá trình xử lý của vi sinh dị dưỡng vì vậy không cần quan tâm
đến quá trình loại bỏ Nitơ. Phần lớn hợp chất Nitơ dư so với nhu cầu dinh dưỡng của
vi sinh vật cần được tách loại mà giai đoạn đầu tiên là oxy hóa thành sản phẩm
nitrate (nitrate hóa).
Oxy hóa hợp chất Nitơ có thể tiến hành theo các phương thức: tiến hành đồng
thời hoặc riêng rẽ với oxy hóa BOD, thực hiện theo kỹ thuật sinh trưởng lơ lửng,
sinh trưởng bám dính hoặc phối hợp cả hai phương án trên.
Trong thành phần sinh khối của tất cả các quá trình hiếu khí đều có mặt của loại

vi sinh vật Nitrifer với tỉ lệ cao thấp khác nhau phụ thuộc vào tỉ lệ BOD/N tổng của
nước thải.
SVTH: Võ Chí Tâm 23 MSSV: 0811110072
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
Thực tế thấy rằng, khi tỉ lệ BOD/N tổng > 5 thì có thể oxy hóa đồng thời cả BOD
và amoni. Đây cũng là trường hợp thường gặp của các loại nước thải giàu Nitơ như
nước thải sinh hoạt, nước thải chế biến thủy hải sản….Sơ đồ oxy hóa đồng thời BOD
và Amoni theo nguyên tắc chung như sau:
Hình 4.1. Sơ đồ oxy hóa đồng thời BOD và Amoni
4.1.1. Bể Aerotank kết hợp Nitrat hóa
Các kỹ thuật phản ứng theo phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng có thể sử dụng
để oxy hóa amoni gồm: dòng lý tưởng, trộn đều các biến hình công nghệ của kỹ
thuật mương oxy hóa. Hệ thống nitrate hóa phải được thiết kế sao cho thời gian lưu
đủ để các vi khuẩn nitrate hóa có thể tăng trưởng. Các vi khuẩn dị dưỡng cũng đóng
vai trò quan trọng trong việc hạn chế cung cấp oxy các vi khuẩn nitrate hóa, đặc biệt
là trong hệ thống tăng trưởng bám dính. Sau khi cạnh tranh với các vi khuẩn dị
dưỡng, tốc độ nitrate hóa sẽ bị giới hạn do nồng độ NH
4
+
sẵn có trong hệ thống.
Nhiệt độ, pH và các chất ức chế hóa học cũng đóng vai trò quan trọng trong quá
trình.
Các yếu tố ảnh hưởng tới oxy hóa amoni trong kỹ thuật một giai đoạn bao gồm:
nồng độ amoni, nitrite, tỉ lệ BOD/N tổng, nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, pH và các
chất ức chế.
• Nồng độ amoni và nitrite: có tác động trực tiếp đến tốc độ phát triển
của vi sinh Nitrifier, mức độ tác động của chúng được đánh giá thông qua
phương trình động học Monod và độc tính đối với si sinh vật. Tốc độ oxy hóa
nitrate thành nitrite nhanh hơn tốc độ oxy hóa amoni thành nitrite (trong phần
SVTH: Võ Chí Tâm 24 MSSV: 0811110072

Lắng sơ cấp Hiếu khí oxy hóa
BOD, NH
3
Lắng thứ cấp
Thải
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Ths. Võ Hồng THi
lớn trường hợp) nên việc tính toán mô hình xử lý cần tập trung vào giai đoạn
oxy hóa amoni thành nitrite là giai đoạn quyết định.
• Tỷ lệ BOD/N tổng: quyết định tỉ lệ của vi sinh Nitrifier trong tổng sinh
khối, đóng vai trò quyết định đối với oxy hóa amoni. Mật độ của chúng giảm
khi tỉ lệ BOD/N tổng tăng.
• Nồng độ oxy hòa tan: Tác động đến vi sinh Nitrifier khác về mức độ so
với vi sinh tự dưỡng. Nồng độ oxy cần thiết để oxy hóa amoni cần cao hơn.
Chọn nồng độ oxy hòa tan thấp nhất là 2mg/l nhằm tránh quá trình nitrate hóa
bị ức chế bởi thiếu oxy.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ: nhiệt độ ảnh hưởng quan trọng trong sự
nitrate hóa, nhiệt độ thấp sẽ đòi hỏi có thời gian lưu trong hệ thống dài hơn
đối với tác nhân tăng trưởng lơ lửng và tốc độ nạp nước thấp hơn trong tác
nhân bám dính, do tốc độ tăng trưởng chậm hơn của các vi khuẩn nitrate hóa.
• Ảnh hưởng của pH: khoảng pH thuận lợi nhất cho sự nitrate hóa là từ
6,5 – 8. Do sự nitrate hóa tiêu thụ khoảng 7,1 mg kiềm (CaCO
3
) cho mỗi mg
NH
4
+
bị oxy hóa, vì vậy khi độ kiềm trong nước thải có nguy cơ xuống thấp
thì sự Nitrate hóa sẽ làm pH cũng giảm xuống.
• Ảnh hưởng của chất ức chế: các vi khuẩn nitrate hóa thường nhạy cảm
hơn các vi khuẩn dị dưỡng và dễ bị ảnh hưởng bởi các thay đổi khác nhau của

các chất ức chế hữu cơ và vô cơ.
4.1.2. Bể lọc sinh học kết hợp Nitrate hóa
Bể lọc nhỏ giọt bao gồm cả oxy hóa amoni cũng dựa trên cơ sở giống như
trường hợp xử lý BOD. Điểm khác biệt quan trọng nhất là mức độ chịu tải thấp hơn
nhiều. Mức độ chịu tải chất hữu cơ thấp đồng nghĩa với thời gian lưu tế bào cao. Để
đạt được hiệu xuất oxy hóa amoni 75 – 80% tải lượng hữu cơ có thể áp dụng là:
• Sử dụng vật liệu đá sỏi: 0,8 – 1,3 kgBOD/m
3
.ngày
• Sử dụng vật liệu nhựa: 1,5 – 2,3 kgBOD/m
3
.ngày
Muốn tăng hiệu quả nitrate hóa lên 85 – 90%, tải lượng hữu cơ cần phải được
giảm tiếp tới 0,4 – 0,8 cho trường hợp đầu và 0,8 – 1,5kg BOD cho trường hợp sau.
SVTH: Võ Chí Tâm 25 MSSV: 0811110072