Nghiên cứu, cải thiện hiệu quả quá trình chuyển hoá phân hủy các hợp chất nitơ trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề quan trọng, hệ quả của một quá
trình phát triển nóng của các nước đang phát triển trong giai đoạn công nghiệp hóa và
hiện đại hóa. Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp và dịch vụ, quá
trình đô thị hóa và tập trung dân cư nhanh chóng là những nguyên nhân gây nên hiện
trạng quá tải môi trường .
Ở Việt Nam, phần lớn nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô và
nông thôn đều chưa được xử lý đúng quy cách. Nước thải từ các khu vệ sinh mới chỉ
được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại, chất lượng chưa đạt yêu cầu xả ra môi trường, là
nguyên nhân gây ô nhiễm, lây lan bệnh tật. Đó là chưa kể dòng nước thải sinh hoạt từ
nhà bếp, tắm, giặt, thường không được xử lý qua bể tự hoại, góp phần làm ô nhiễm
môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.
Các chỉ tiêu BOD
5
, COD, nitơ, Phốt pho và vi sinh vật là các chỉ tiêu ô nhiễm
chính đặc trưng thường thấy trong nước thải sinh hoạt. Trong nước thải sinh hoạt, hàm
lượng nitơ rất lớn, nếu không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị
phú dưỡng – một hiện tượng thường xảy ra ở nguồn nước có hàm lượng nitơ cao, trong
đó các loài thực vật thủy sinh phát triển mạnh rồi chết đi, thối rữa, làm cho nguồn nước
trở nên ô nhiễm. Muốn xử lý loại bỏ nitơ trong nước thải thì tốt nhất là sử dụng biện
pháp sinh học dựa vào quy luật tự nhiên để giảm thiểu ô nhiễm. Đây thực chất là quá
trình thúc đẩy hoạt động của các vi sinh vật vốn có trong tự nhiên. Cụ thể là sử dụng
các vi khuẩn Nitrat hóa và phản Nitrat hóa để loại bỏ nitơ trong nước thải.
Dựa vào đặc tính của vi sinh vật trong nước thải có thể chuyển hoá amoni thành
NO
2
-
, NO
2
-

thành NO
3
-
, sau đó sẽ chuyển NO
3
-
thành NO, N
2
O, N
2
hoàn toàn không có
hại với môi trường. Chính vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, cải thiện hiệu
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
1
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
quả quá trình chuyển hoá phân hủy các hợp chất nitơ trong các hệ thống xử lý
nước thải sinh hoạt đô thị” với các mục tiêu sau:
• Phân lập chủng vi sinh vật có khả năng phân giải hợp chất chứa nitơ trong
nước thải.
• Tuyển chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải cao.
• Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển và khả năng
phân giải hợp chất chứa nitơ của chủng được tuyển chọn.
• Tạo chế phẩm sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt
• Nghiên cứu, ứng dụng chế phẩm sinh học trong xử lý nước thải.



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
2

Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
1.1. Tài nguyên nước và sự ô nhiễm nước
Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sự
thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo
đảm quốc phòng, an ninh quốc gia. Hiện nay nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và
quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt. Nguy cơ thiếu
nước, đặc biệt là nước ngọt và sạch là một hiểm họa lớn đối với sự tồn vong của con
người cũng như toàn bộ sự sống trên trái đất. Do đó con người cần phải nhanh chóng
có các biện pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước.
Ô nhiễm nước có thể được định nghĩa bằng nhiều cách như khi nồng độ một
hoặc nhiều chất cụ thể trong nước vượt quá tải lượng của môi trường trong khoảng thời
gian đủ để gây tác động hay hậu quả rõ rệt ta gọi là ô nhiễm nước.
Hiến chương châu Âu về nước đã định nghĩa: "Ô nhiễm nước là sự biến đổi nói
chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm
cho con người, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật
nuôi và các loài hoang dã".
Ô nhiễm nước có nguồn gốc tự nhiên: Do mưa, tuyết tan, gió bão, lũ lụt đưa vào
môi trường nước chất thải bẩn, các sinh vật và vi sinh vật có hại kể cả xác chết của
chúng.
Ô nhiễm nước có nguồn gốc nhân tạo: Quá trình thải các chất độc hại chủ yếu
dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vào
môi trường nước (VloSer, 2009).
Theo bản chất các tác nhân gây ô nhiễm, người ta phân ra các loại ô nhiễm
nước: ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, ô nhiễm hoá chất, ô nhiễm sinh học, ô nhiễm bởi các tác
nhân vật lý.
Hiện nay, đã có nhiều hoạt động tuyên truyền chủ trương xã hội hoá công tác
bảo vệ tài nguyên nước, đưa ra nhiều biện pháp nhằm kêu gọi tất cả các thành viên
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
3
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương

trong xã hội nâng cao ý thức, cùng hành động tích cực bảo vệ nguồn tài nguyên thiên
nhiên này. Bảo vệ tài nguyên nước là nhiệm vụ cấp bách, nó không chỉ đáp ứng các
yêu cầu trước mắt mà còn tạo nền tảng vững chắc cho sự nghiệp bảo vệ tài nguyên và
môi trường trong tương lai lâu dài, vì đó là sự sống còn của chính chúng ta và con cháu
sau này.
1.1.1. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước trên thế giới
Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ
đáng lo ngại. Tiến độ ô nhiễm nước phản ánh trung thực tiến bộ phát triển kỹ nghệ. Ta
có thể kể ra đây vài thí dụ tiêu biểu.
Anh Quốc chẳng hạn: Ðầu thế kỷ 19, sông Tamise rất sạch, nó trở thành ống
cống lộ thiên vào giữa thế kỷ này. Các sông khác cũng có tình trạng tương tự trước khi
người ta đưa ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt.
Nước Pháp rộng hơn, kỹ nghệ phân tán và nhiều sông lớn, nhưng vấn đề cũng
không khác bao nhiêu. Dân Paris còn uống nước sông Seine đến cuối thế kỷ 18. Từ đó
vấn đề đổi khác: các sông lớn và nước ngầm nhiều nơi không còn dùng làm nước sinh
hoạt được nữa, 5.000 km sông của Pháp bị ô nhiễm. Sông Rhin chảy qua vùng kỹ nghệ
hóa mạnh, khu vực có hơn 40 triệu người, là nạn nhân của nhiều tai nạn (như nạn cháy
nhà máy thuốc Sandoz ở Bale năm 1986 chẳng hạn) thêm vào các nguồn ô nhiễm
thường xuyên.
Ở Hoa Kỳ tình trạng thảm thương ở bờ phía đông cũng như nhiều vùng khác.
Vùng Ðại hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario đặc biệt nghiêm trọng.
1.1.2. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam
Nước ta có nền công nghiệp chưa phát triển mạnh, các khu công nghiệp và các
đô thị chưa đông lắm nhưng tình trạng ô nhiễm nước đã xảy ra ở nhiều nơi với các mức
độ nghiêm trọng khác nhau (Cao Liêm và Trần Ðức Viên, 1990).
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
4
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Nông nghiệp là ngành sử dụng nhiều nước nhất dùng tưới lúa và hoa màu, chủ
yếu là ở đồng bằng sông Cửu Long và sông Hồng. Việc sử dụng nông dược và phân

bón hóa học càng góp thêm phần ô nhiễm môi trường nông thôn.
Công nghiệp là ngành làm ô nhiễm nước quan trọng, mỗi ngành có một loại
nước thải khác nhau. Khu công nghiệp Thái Nguyên thải nước biến Sông Cầu thành
màu đen, mặt nước sủi bọt trên chiều dài hàng chục cây số. Khu công nghiệp Việt Trì
xả mỗi ngày hàng ngàn mét khối nước thải của nhà máy hóa chất, thuốc trừ sâu, giấy,
dệt xuống Sông Hồng làm nước bị nhiễm bẩn đáng kể. Khu công nghiệp Biên Hòa và
TP HCM tạo ra nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn, làm nhiễm bẩn tất cả
các sông rạch ở đây và cả vùng phụ cận.
Nước dùng trong sinh hoạt của dân cư ngày càng tăng nhanh do dân số và các
đô thị. Nước cống từ nước thải sinh hoạt cộng với nước thải của các cơ sở tiểu thủ công
nghiệp trong khu dân cư là đặc trưng ô nhiễm của các đô thị ở nước ta. Ðiều đáng nói
là các loại nước thải đều được trực tiếp thải ra môi trường, chưa xử lý triệt để, vì nước
ta chưa có hệ thống xử lý nước thải nào đúng nghĩa như tên gọi của nó.
Nước ngầm cũng bị ô nhiễm, do nước sinh hoạt hay công nghiệp và nông
nghiệp. Việc khai thác tràn lan nước ngầm làm cho hiện tượng nhiễm mặn và nhiễm
phèn xảy ra ở những vùng ven biển sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cửu Long, ven
biển miền Trung (Cao Liêm và Trần Ðức Viên, 1990).
1.2. Đặc điểm nước thải sinh hoạt đô thị và sự ô nhiễm
Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp
lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi trường nước ở
nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí
thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang
gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải.
Nước thải đô thị bao gồm cả nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hoạt động sinh
hoạt của các cộng đồng dân cư, các loại nước thấm và nước thải sản xuất thải ra từ các
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
5
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
công trình công nghiệp [11]. 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 là
các hợp chất amoniac, protein, peptit, axit amin, amin cũng như các thành phần khác
trong chất thải rắn và lỏng [2]. Mỗi người hàng 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 khoảng 8 lần [2]. Các chỉ tiêu BOD
5
, COD, Nitơ, Phốt pho là các chỉ tiêu ô
nhiễm chính đặc trưng thường thấy trong nước thải sinh hoạt. Một yếu tố gây ô nhiễm
quan trọng trong nước thải sinh hoạt đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các
vi sinh vật có trong phân. Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là
virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sán (vacne.org.vn). Đặc trưng của nước thải
đô thị hiện nay là chứa nồng độ chất hữu cơ ở mức cao và nhiều chất hoạt động bề mặt
từ việc sử dụng nhiều chất tẩy rửa như xà phòng, nước rửa chén
Ông Yutaka Matsuzawa - Chuyên gia môi trường của Tổ chức Hợp tác Quốc tế
Nhật Bản (JICA) tại Việt Nam đã nhận định: “Quá trình đô thị hoá tại Việt Nam diễn
ra rất nhanh. Những đô thị lớn tại Việt Nam như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng,
Đà Nẵng bị ô nhiễm nước rất nặng nề. Đô thị ngày càng phình ra tại Việt Nam, nhưng
cơ sở hạ tầng lại phát triển không cân xứng, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải sinh
hoạt tại Việt Nam vô cùng thô sơ. Có thể nói rằng, người Việt Nam đang làm ô nhiễm
nguồn nước uống chính bằng nước sinh hoạt thải ra hàng ngày”.
Theo Hội Bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam, nước thải sinh hoạt
chiếm khoảng 80% tổng số nước thải ở các thành phố, là một nguyên nhân chính gây
nên tình trạng ô nhiễm nước và vấn đề này có xu hướng càng ngày càng xấu đi. Ước
tính, hiện chỉ có khoảng 6% lượng nước thải đô thị được xử lý (VACNE, 2010).
Chuyên gia Matsuzawa cho rằng, quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá
khiến luồng di cư đổ về đô thị. Song việc thu gom, xử lý rác thải và nước thải sinh hoạt
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
6
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương

lại không được để ý. “Tôi chắc chắn rằng, Việt Nam trong vòng ít nhất là 10-15 năm
nữa sẽ còn phải hứng chịu các tác động nặng nề do nước thải sinh hoạt không được xử
lý. Đây là lý do vì sao tôi nói rằng, ô nhiễm nước thải sinh hoạt đang là vấn đề nghiêm
trọng nhất mà Việt Nam đang đối mặt”, ông khẳng định.
Một báo cáo toàn cầu mới được Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công bố hồi đầu
năm 2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người tử vong do điều kiện
nước sạch và vệ sinh nghèo nàn và thấp kém. Còn theo thống kê của Bộ Y tế, hơn 80%
các bệnh truyền nhiễm ở nước ta liên quan đến nguồn nước. Người dân ở cả nông thôn
và thành thị đang phải đối mặt với nguy cơ mắc bệnh do môi trường nước đang ngày
một ô nhiễm trầm trọng.
Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và
thành phố Hồ Chí Minh. Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống
xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác,
còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y
tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải, một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố
không thu gom hết được… là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước. Hiện nay,
mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng.
Tổng lượng nước thải của thành phố Hà Nội, theo báo cáo của Uỷ ban Khoa học
Công nghệ và Môi trường (2006), lên tới 300.000-400.000m
3
/ngày, trong đó 2/3 là
nước thải sinh hoạt.
Hình 1.1.Ô nhiễm nước tại sông Tô Lịch
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
7
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Theo thông báo mới nhất của UBND thành phố Hà Nội (2006), tình trạng ô
nhiễm môi trường do hoạt động công nghiệp tuy đã có chuyển biến nhưng vẫn còn hơn
90% tổng lượng nước thải sinh hoạt và nước thải của các cơ sở sản xuất, bệnh viện,
dịch vụ và làng nghề chưa được xử lý. Chỉ có một số ít nhà máy và bệnh viện được

trang bị hệ thống xử lý nước thải tại chỗ, và chỉ có 8-10% tổng lượng nước thải đô thị
được xử lý ở bốn nhà máy xử lý nước thải mới xây dựng với tổng công suất 48.000
m
3
/ngày [10].
Ở thành phố Hồ Chí Minh thì lượng rác thải lên tới gần 4.000 tấn/ngày; chỉ có
24/142 cơ sở y tế lớn là có xử lý nước thải; khoảng 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm
thuộc diện phải di dời.
Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác như Hải
Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… nước thải sinh hoạt đô thị cũng không
được xử lý, độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiêu chuẩn
cho phép (TCCP).
Như vậy nghiên cứu để đưa ra phương án xử lý là vấn đề vô cùng cấp thiết hiện
nay.
1.3. Phương pháp xử lý nước thải và lựa chọn phương pháp xử lý
Trong các phần trước chúng ta thấy rằng nguồn gây ô nhiễm nước quan trọng
nhất là nước thải. Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp đều chứa các tác nhân
gây độc hại, gây suy thoái chất lượng nước sông, hồ, nước ngầm. Do vậy việc xử lý
nước thải là tối cần thiết trong công tác bảo vệ tài nguyên nước. Mục đích của việc xử
lý nước thải là khử các tạp chất sao cho nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng ở
mức chấp nhận được theo các chỉ tiêu đã đặt ra. Các tiêu chuẩn chất lượng đó thường
phụ thuộc vào mục đích và cách thức sử dụng: nước sẽ được tái sử dụng hay thải thẳng
vào các nguồn tiếp nhận nước [11].
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
8
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
1.3.1. Phương pháp cơ học
Nước thải công nghiệp cũng như nước thải sinh hoạt thường chứa các chất tan
và không tan ở dạng lơ lửng. Các tạp chất lơ lửng có thể ở dạng rắn và lỏng, chúng tạo
với nước thành hệ huyền phù. Tùy thuộc vào kích thước hạt, các hệ huyền phù được

chia làm 3 nhóm là chất rắn tan, chất rắn keo và chất rắn lơ lửng [11].
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
9
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải, thường người ta sử dụng các quá trình
thủy cơ (gián đoạn hoặc liên tục): lọc qua song chắn rác hoặc lưới, lắng dưới tác dụng
của lực trọng trường hoặc lực ly tâm và lọc. Việc lựa chọn phương pháp xử lý tùy
thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và
mức độ làm sạch cần thiết [11].
1.3.2. Các phương pháp vật lý và hóa học
Các phương pháp xử lý sinh học được sử dụng với hiệu quả cao để xử lý chất
hữu cơ kém bền vững, nhưng ít hiệu quả với nước thải công nghiệp chứa các chất vô
cơ độc hại (kim loại nặng, axit, bazơ) hoặc các chất hữu cơ bền vững (các clobenzen,
PCB, phenol ) và cũng ít hiệu quả với một số loại vi trùng. Trong các trường hợp này
cần kết hợp phương pháp xử lý sinh học với các phương pháp lý, hóa học.
Năm phương pháp lý, hóa thường được dùng trong xử lý nước thải là:
- Phương pháp đông tụ và keo tụ;
- Phương pháp hấp phụ;
- Phương pháp trung hòa;
- Phương pháp tuyển nổi;
- Phương pháp trao đổi ion
1.3.2.1. Phương pháp đông tụ và keo tụ
Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách
được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có kích
thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần
tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết
thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng tốc độ lắng của chúng. Việc khử các hạt keo lắng
rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích thường được gọi là
quá trình đông tụ còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá
trình keo tụ [11].

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
10
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Trong thực tế người ta thường sử dụng các hóa chất trong phương pháp đông tụ
và keo tụ để loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong nước thải là: Al
2
(SO
4
)
3
.nH
2
O (n = 13-
18), NaAlO
2
, Al
2
(OH)
5
Cl, KAl(SO
4
)
2
.12H
2
O, NH
4
Al(SO
4
)

2
.12H
2
0, Ca(OH)
2
,
Fe
2
(SO
4
)
3
,

FeCl
3
, soda kết hợp phèn chua (Na
2
CO
3
+ Al
2
(SO
4
)
3
.nH
2
O)
1.3.2.2. Phương pháp hấp phụ

Phương pháp này dựa theo nguyên tắc các chất ô nhiễm tan trong nước có khả
năng hấp phụ lên bề mặt một số chất rắn (chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường dùng
là: than hoạt tính (dạng hạt hoặc dạng bột), than bùn Phương pháp hấp phụ có tác
dụng tốt trong việc xử lý nước thải có chứa các chất hữu cơ, các kim loại nặng và màu.
Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất vô cơ và hữu cơ độc hại, hiện nay người ta có
thể sử dụng than bùn hoặc một số loại thực vật nước như lục bình vì chúng có khả năng
hấp phụ tốt [11].
1.3.2.3. Phương pháp trung hòa
Nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa pH về khoảng
6,5 – 8,5 trước khi thải vào nguồn nước hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo.
Trung hòa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:
- Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm;
- Bổ sung các tác nhân hóa học;
- Lọc nước axit qua vật liệu có tác dụng trung hòa;
- Hấp thụ khí axit bằng nước kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nước axit
Việc lựa chọn phương pháp trung hòa là tùy thuộc vào thể tích và nồng độ của
nước thải, chế độ thải nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của tác nhân hóa học
[11].
1.3.2.4. Phương pháp tuyển nổi
Trong xử lý nước thải, về nguyên tắc, tuyển nổi thường được sử dụng để khử
các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này so với
phương pháp lắng là có thể khử được hoàn toàn các hạt nhỏ hoặc nhẹ, lắng chậm, trong
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
11
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
một thời gian ngắn. Khi các hạt nhỏ nổi lên bề mặt, chúng có thể được thu gom bằng
bộ phận hớt bọt.
Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là
không khí) vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập
hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng tập hợp

lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu
[11].
1.3.2.5. Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi
các kim loại như Zn, Cu, Ni, Hg, V, Cd, Mn cũng như các hợp chất của asen,
photpho, xyanua và chất phóng xạ.
Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi
với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các
ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước [11].
1.3.3. Phương pháp xử lý sinh học
Phương pháp sinh học dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân
hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất
hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá
trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và
sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi
sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa.
Như vậy, muốn biết nước thải có khả năng xử lý được bằng phương pháp sinh
học cần quan tâm đến chỉ tiêu BOD hoặc COD để có đủ điều kiện vận hành hệ thống.
Để có thể sử lý bằng phương pháp này nước thải cần không chứa các chất độc và tạp
chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ
cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5 [11]
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
12
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sở khác
nhau. Song nhìn chung có thể chia chúng thành ba loại chính: Phương pháp hiếu khí,
phương pháp thiếu khí và phương pháp yếm khí.
1.3.3.1. Phương pháp hiếu khí
1.3.3.1.1. Nguyên tắc:
Phương pháp hiếu khí dùng để loại các chất hữu cơ dễ bị vi sinh phân hủy ra

khỏi nguồn nước. Các chất này được các loại vi sinh hiếu khí oxy hóa bằng oxy hòa tan
trong nước.
Chất hữu cơ + O
2
vi sinh vật
H
2
O + CO
2
+ Năng lượng.
Chất hữu cơ + O
2
vi sinh vật
Tế bào mới.
Tế bào mới + O
2
vi sinh vật
H
2
O + CO
2
+ NH
3
.
Tổng cộng: Chất hữu cơ + O
2

H
2
O + CO

2
+ NH
3
+ …
Trong phương pháp hiếu khí amoniac cũng được loại bỏ bằng oxy hóa nhờ vi
sinh tự dưỡng ( quá trình nitrit hóa ).
2 NH
4
+
+ 3 O
2
Nitrosomonas
2 NO
2
-
+ 4 H
+
+ 2 H
2
O + Năng lượng.
2 NO
2
-
+ O
2
Nitrobacter
2 NO
3
-
Tổng cộng: NH

4
+
+ 2 O
2
Vi sinh
NO
3
-
+ 2 H
+
+ H
2
O + Năng lượng.
( giảm pH )
Điều kiện thích hợp cho quá trình là: pH= 5,5 - 9,0, oxy hòa tan lớn hơn hoặc
bằng 4 mg/l, nhiệt độ 5-40
0
C [11] .
1.3.3.1.2. Kỹ thuật xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí
a. Kỹ thuật xử lý trong các bể aroten
Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải đô thị và công nghiệp
thực phẩm. Theo cách này, nước thải sau khi thu gom được đưa qua bộ phận chắn rác,
chất rắn được lắng, bùn được tiêu hủy và làm khô. Quá trình có thể hồi lưu (bùn hoạt
tính xoay vòng) làm tăng khả năng loại BOD (đến 85-90%), loại N (đến 40-50%) và
loại coliform (60-90%) [11].
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
13
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Hình 1.2. Sơ đồ dây truyền công nghệ xử lý nước thải bằng kỹ thuật bùn hoạt tính
b. Kỹ thuật xử lý lọc sinh học

Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh
trưởng cố định trên lớp màng bám trên vật liệu lọc (môi trường lọc). Thường nước thải
được tưới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc bằng đá hoặc các vật liệu khác nhau. Màng
sinh học gồm các vi khuẩn, nấm và động vật bậc thấp được nạp vào hệ thống cùng với
nước thải. Mặc dù lớp màng này rất mỏng song cũng có hai lớp: lớp yếm khí ở sát bề
mặt đệm và lớp hiếu khí ở ngoài. Do đó quá trình lọc sinh học thường được xem như là
quá trình hiếu khí nhưng thực chất là hệ thống vi sinh vật hiếu – yếm khí [11].
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
14
Dòng vào
Dòng ra
Bơm
Màng
Đầu sục
Sơ đồ
Hình minh họa
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Hình 1.3. Hình minh họa màng đặt ngập trong bể phản ứng
Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp lọc sinh học
c. Kỹ thuật xử lý hồ sinh học
Hồ sinh học hay còn được gọi là hồ oxy hóa hoăc hồ ổn định. Đó là một chuỗi
gồm từ 3 đến 5 hồ. Nước thải chảy qua hệ thống hồ trên với vận tốc không lớn. Trong
hồ nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm cả tảo và các vi khuẩn
nên tốc độ oxy hóa chậm, đòi hỏi thời gian lưu thủy học lớn (30-50 ngày). Các vi sinh
vật sử dụng oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo và oxy được hấp thụ từ
không khí để phân hủy các chất hữu cơ. Còn tảo đến lượt mình sử dụng CO
2
, NH
4
+

,
photpho được giải phóng ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ để thực hiện quá
trình quang hợp [11].
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
15
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Đây là một loại hồ chứa nước thải trong nhiều ngày, phụ thuộc vào nhiệt độ,
oxy được tạo ra qua hoạt động tự nhiên của tảo trong hồ. Cơ chế xử lý trong hồ ổn định
chất thải bao gồm cả hai quá trình hiếu khí và kị khí. Hai loại hồ ổn định nước thải
thường được sử dụng nhiều nhất, đó là:
- Hồ ổn định chất thải hiếu khí. Là loại hồ cạn cỡ 0,3-0,5m được thiết kế sao cho
ánh sáng mặt trời thâm nhập vào lớp nước nhiều nhất để tảo phát triển, hoạt động
quang hợp để tạo oxi. Điều kiện thông khí bảo đảm từ mặt đến đáy hồ.
- Hồ ổn định chất thải kị khí. Là loại hồ sâu không cần oxi hòa tan cho hoạt
động của vi sinh. Ở đây các loài vi sinh kị khí và tùy nghi dùng oxi từ các hợp chất như
nitrat, sulfat để oxi hóa chất hữu cơ thành metan và CO
2
. Các loại hồ này có khả năng
tiếp nhận khối lượng lớn chất hữu cơ và không cần quá trình quang hợp tảo. Hồ ổn
định chất thải tùy nghi là loại hồ hoạt động theo cả quá trình hiếu khí và kị khí. Hồ
thường sâu khoảng 1-2m, thích hợp cho việc phát triển tảo và các vi sinh tùy nghi. Ban
ngày khi có ánh sáng mặt trời quá trình chính xảy ra trong hồ là hiếu khí. Ban đêm và ở lớp
đáy hồ quá trình chính là kị khí.
1.3.3.2. Các phương pháp thiếu khí ( anoxic )
Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan việc khử nitrat hóa sẽ xảy ra. Oxy được giải
phóng từ nitrat sẽ oxy hóa chất hữu cơ và nitơ sẽ được tạo thành.
NO
3
- vi sinh
NO

2
-
+ O
2
Chất hữu cơ + O
2

N
2
+ CO
2
+ H
2
O
Trong hệ thống xử lý theo kỹ thuật bùn hoạt tính sự khử nitrat hóa sẽ xảy ra khi
không tiếp tục thông khí. Khi đó oxy cần cho hoạt động của vi sinh giảm dần và việc
giải phóng oxy từ nitrat sẽ xảy ra. Theo nguyên tắc trên, phương pháp thiếu khí (khử
nitrat hóa) được sử dụng để loại nitơ ra khỏi nước thải.
1.3.3.3. Các phương pháp kỵ khí
Phương pháp xử lý kỵ khí dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của
nước thải bằng vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kỵ khí.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
16
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Để xử lý nước thải người ta sử dụng quá trình lên men khí metan. Quá trình lên
men khí metan gồm hai pha:
- Trong pha axit: các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tùy tiện, vi khuẩn
yếm khí) hóa lỏng các chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp đó tạo
thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton,
dihyrosunfua, CO

2
, H
2

- Trong pha kiềm: các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí chuyển
hóa các sản phẩm trung gian trên tạo thành CH
4
và CO
2
. Việc lên men metan nhạy cảm
với sự thay đổi pH. Độ pH tối ưu cho quá trình này là từ 6,5-7,5 [11]. Thí dụ về sự lên
men metan hóa:
CH
3
COOH
Methanosarcina
CH
4
+ CO
2
2 CH
2
(CH
2
)COOH
M. suboxydans
CH
4
+2CH
3

COOH +C
2
H
5
COOH+2H
2
O+CO
2
Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:
• Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử.
• Tạo nên các axit.
• Tạo metan


Giai đoạn I
Thủy phân và lên men
Giai đoạn II
Tạo axid acetic, H
2

Giai đoạn III
Sinh CH
4
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
17
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Hình 1.5. Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981)
Ba nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhóm vi sinh vật thủy phân
chất hữu cơ, nhóm vi sinh vật tạo axit bao gồm các loài Clostridium sp., Peptococcus
anaerobus, Bifidobacterium sp., Desulphovibrio sp., Corynebacterium sp.,

Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus, Escherichia coli, và nhóm vi sinh vật
sinh metan gồm các loài dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng
hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina).
Các phương pháp kỵ khí thường được dùng để xử lý nước thải công nghiệp thực
phẩm và chất thải từ chuồng trại chăn nuôi, phân rác.
1.4. Cơ sở lý thuyết các quá trình xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học
Ở Việt Nam, việc xử lý loại bỏ các chất dinh dưỡng (N, P) trong nhiều loại nước
thải trước khi xả thải là nhằm hạn chế sự ô nhiễm nước ngầm, nước mặt. Tác hại lớn
nhất khi thải nước thải giàu N, P vào các vực nước mặt là hiện tượng phú dưỡng. Hậu
quả của phú dưỡng là kích thích sự phát triển mạnh các loài tảo, làm phá vỡ chuỗi thức
ăn ổn định của các hệ sinh thái thủy vực, gây ô nhiễm nước và bồi cạn các vực nước
này.
Đối với amoni, tiêu chuẩn thải của Việt Nam (QCVN 14 : 2008/ BTNMT) qui
định giới hạn nồng độ NH
4
+
-N trong nước thải sinh hoạt được phép thải vào các vực
nước cho các mục đích sử dụng khác nhau từ 5-10 mg/l [13]. Các hệ thống xử lý nước
thải bậc 2 thông thường được thiết kế để loại các chất hữu cơ (đánh giá qua các thông
số BOD
5
, COD), và chỉ có hiệu quả loại nitơ một phần. Do vậy, việc loại nitơ thường
phải được tiến hành ở giai đoạn riêng tiếp theo. Công nghệ sinh học truyền thống để xử
lý nitơ là dựa vào sự kết hợp của 2 giai đoạn nitrat hoá và khử nitrat.
Chu trình nitơ được thực hiện thông qua các quá trình sau: quá trình cố định nitơ
phân tử (N-fixation), quá trình amon hóa (Ammonification), quá trình tổng hợp
(Synthesis), quá trình nitrat hóa (Nitrification), quá trình phản nitrat hóa
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
18
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương

(Denitrification) [28, 35]. Trong quá trình này vi sinh vật chuyển hóa đóng vai trò hết
sức quan trọng.
NO
3
-
NO
2
-
NO
N
2
O
N-N
[NH
2
OH]
NH
3
R-NH
2
Qúa trình đồng hóa
Phản nitorat hóa
Quá trình nitơrat hóa
Quá trình amoni hóa
Cố định Nitơ
Nitơ trong tế bào
Hình 1.6. Sự chuyển hóa Nitơ trong chu trình Nitơ
1.4.1. Quá trình cố định nitơ phân tử
Chu trình chuyển hóa nitơ bắt đầu bằng quá trình cố định nitơ phân tử. Quá trình
này chuyển hóa khí nitơ tạo thành các hợp chất nitơ mà thực vật có thể đồng hóa được.

Cố định nitơ bằng quá trình sinh học là phổ biến nhất, nhưng cũng có thể được
hình thành bởi sấm chớp và trong sản xuất công nghiệp [28]. Việc cố định nitơ bằng
sinh học được thực hiện bởi vi khuẩn sống tự do như vi khuẩn hiếu khí, vi hiếu khí, kỵ
khí, vi khuẩn lam, tảo lam và thực vật bậc cao. Quá trình này được xúc tác bởi hệ
enzyme nitrogenase, sản phẩm cuối cùng của quá trình này là các hợp chất chứa nitơ
làm giàu cho đất.
1.4.2. Quá trình Amoni hóa
Nitơ sau khi cố định được chuyển vào đất và nước, nhưng chúng không được
thực vật sử dụng ngay mà phải thông qua quá trình khoáng hóa nhờ vi sinh vật. Quá
trình khoáng hóa (quá trình amon hóa) là quá trình phân giải các chất nitơ hữu cơ thành
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
19
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
dạng amoniac hoặc ion amoni với sự tham gia của các vi sinh vật như vi khuẩn, xạ
khuẩn, nấm mốc…. Cơ chế của quá trình này được tiến hành như sau: các vi sinh vật
có chứa enzyme thủy phân ngoại bào thủy phân các hợp chất hữu cơ, protein thành các
sản phẩm như: pepton, peptit, axit amin…. Axit amin được tích lũy như một nguồn
dinh dưỡng sau đó nhờ enzyme khử nội bào phân hủy thành ammoniac – sản phẩm của
quá trình amon hóa.
Quá trình amon hóa cũng được thực hiện với các chất không có nguồn gốc
protein. Nhiều loài vi sinh vật sử dụng ure làm nguồn nitơ, quá trình này được thực
hiện nhờ enzyme urease trong điều kiện pH trung tính.
NH
2
O = C + 3 H
2
O 2NH
4
+
+ CO

2
+ 2OH
-
NH
2
Quá trình phân giải protein có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí.
Trong điều kiện hiếu khí có sự tham gia của nhóm vi khuẩn Bacillus và Pseudomonas,
các xạ khuẩn và nấm sợi. Trong điều kiện kỵ khí thì một số loài vi khuẩn thuộc giống
Clostridium tham gia vào quá trình này .
1.4.3. Quá trình tổng hợp
Tổng hợp là cơ chế sinh hóa, trong đó các ion amoni và nitrat được chuyển
thành dạng nito hữu cơ. Cố định đạm là một hình thức duy nhất tổng hợp mà chỉ có
thể được thực hiện bằng vi khuẩn cố định nitơ và tảo [28].
1.4.4. Quá trình Nitrit hoá
Quá trình nitrit hóa là quá trình oxy hóa amon thành nitrit với sự tham gia của
nhóm vi khuẩn nitrit hóa như Nitrosomonas, quá trình này được tiến hành theo phản
ứng sau:
2NH
4
+
+ 3 O
2


Nitrosomonas
2NO
2
-
+ 2H
2

O + 4H
+
+ sinh khối
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
20
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Các vi sinh vật nitrit hóa sử dụng năng lượng từ phản ứng này để sinh trưởng và
phát triển.
Một số chủng nitrit hóa đó là: Nitrosomonas, Nitrospira, Nitrococcus,
Nitrosolobus tất cả đều thuộc nhóm vi khuẩn Gram (-), có cấu tạo tế bào hình que,
hình cầu, hình xoắn Chúng sinh trưởng và phát triển được ở nhiệt độ từ 5 – 40
0
C và
nhiệt độ tối ưu là 25 – 30
o
C [11]. Sinh trưởng ở dải pH từ 5,0 – 9,0 [11], pH tối ưu là
7,5. Với pH < 7,0 quá trình phát triển của chúng bị chậm lại, nếu pH < 6,0 và > 9,0 thì
hoạt tính nitrit sẽ giảm hoặc không xảy ra. Bởi vậy trong canh trường thuần khiết chất
đệm có vai trò rất quan trọng.
1.4.5. Quá trình Nitrat hóa
Quá trình nitrat hóa là qúa trình oxy hóa NO
2
-
thành NO
3
-
. Quá trình này được
tiến hành theo phản ứng sau:
NO
2

-
+ ½ O
2

Nitrobacter
NO
3
-
+ Sinh khối
Quá trình nitrat hóa được thực hiện chủ yếu bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa
năng. Các vi khuẩn này hầu như đều thuộc nhóm vi khuẩn Gram(-), có cấu tạo tế bào
hình que, hình cầu, hình quả lê chúng có khả năng sử dụng nitrit như một nguồn năng
lượng và có khả năng đồng hóa CO
2
qua chu trình Calvin – Benson như nguồn cacbon
cho sinh trưởng. Mỗi phân tử CO
2
được cố định thì cần 100 phân tử NO
2
-
bị oxy hóa.
Quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng.
Một số vi khuẩn nitrat được công nhận hiện nay là Nitrobacter, Nitrospira,
Nitrococcus, Nitrospina. Thời gian nhân đôi tế bào của vi khuẩn này khoảng 12 – 13
giờ, hay 59 giờ thậm trí hơn 140 giờ tùy từng chủng vi khuẩn [8]. Chúng là những vi
khuẩn có tốc độ phát triển rất chậm. pH thích hợp cho vi khuẩn nitrat hóa phát triển từ
7,5 – 8,0. Nhưng cũng có thể phát triển được trong khoảng pH 6,5 – 8,5. Dải nhiệt độ
cho vi khuẩn này phát triển là từ 5 – 37
0
C nhiệt độ tối ưu là 25 – 30

0
C. Vi khuẩn nitrat
hóa có thể phát triển được trong điều kiện hạn chế oxy. Nồng độ oxy cao và cường độ
ánh sáng mạnh cũng ảnh hưởng tới tốc độ phát triển của một vài loài vi khuẩn nitrat
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
21
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
hóa. Các chủng vi khuẩn Nitrobacter có thể phát triển được trong môi trường tạp
dưỡng hoặc dị dưỡng. Nhưng những chủng Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina lại
không có khả năng phát triển được trên môi trường dị dưỡng.
1.4.6. Quá trình phản Nitrat hoá
Quá trình phản nitrat hóa là quá trình khử nitrat hoặc nitrit thành NO, N
2
O hoặc
nitơ phân tử. Quá trình này chỉ diễn ra trong điều kiện kỵ khí dưới sự tác động của hệ
enzyme reductase. Các vi khuẩn có thể sử dụng nitrat như là chất nhận điện tử cuối
cùng trong chuỗi hô hấp và năng lượng thoát ra dùng để tổng hợp ATP. Quá trình phản
nitrat hóa tạo ra các sản phẩm trung gian như NO và NO
2
ở dạng khí. Sơ đồ chung của
quá trình phản nitrat hóa:

NO
3
-

Nitratereductase
NO
2
-

Nitritereductases
NO
Nitrieoxidereductase
N
2
O
Nitrousoxidereductase
N
2
Vi khuẩn phản nitrat hóa phần lớn là các vi khuẩn dị dưỡng yếm khí tùy tiện:
Pesudommonas, Bacterium, Nitrococcus, Achromobacter, Bacillus Trong môi
trường đủ oxy, các vi khuẩn này oxy hóa các hợp chất hữu cơ giống như các vi khuẩn
hiếu khí bình thường. Khi môi trường thiếu oxy chúng mới tiến hành khử nitrat dưới
tác động của các enzyme Nitritreductase và Nitratreductase. Sự có mặt của oxy sẽ ức
chế hoạt động của enzyme này và dẫn đến kìm hãm quá trình phản nitrat hóa.
Dải nhiệt độ cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn này là 5 - 60
0
C nhiệt
độ tối ưu là 25 – 30
0
C. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 5
0
C thì tốc độ phản nitrat giảm
nhanh xuống và dừng lại hoàn toàn ở 0 – 2
0
C .
Việc loại bỏ hoàn toàn nitơ liên kết ra khỏi nước cần phải kết hợp cả quá trình
nitrat hóa và quá trình phản nitrat hóa. Quá trình này đang được ứng dụng nhiều trên
thế giới trong xử lý nước mặt giúp tránh gây ra hiện tượng phú dưỡng.

1.5. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng các phương pháp sinh học xử lý hợp chất
hữu cơ chứa nitơ trong xử lý nuớc thải
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
22
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Các quá trình sinh học áp dụng cho hợp chất chứa nitơ trong xử lý nước thải đô
thị ở Việt Nam:
- Xử lý kỵ khí: với bể phân hủy kỵ khí, hệ thống UASB
- Xử lý hiếu khí: bùn hoạt tính, lọc nhỏ giọt, màng lọc sinh học
- Hệ thống tự nhiên: ao hồ ổn định, cánh đồng ngập nước
Thông thường các giai đoạn xử lý kỵ khí phải đứng trước xử lý hiếu khí nhằm
giảm tải trọng chất hữu cơ và dinh dưỡng để có thể cho nước thải đạt yêu cầu chất
lượng thải ra sông hồ
Hình 1.7. Quá trình nitrat và phản nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải (Gold et
al. 1989)
1.5.1. Xử lý nitơ bằng bùn hoạt tính.
Loại bỏ các hợp chất hữu cơ là việc rất quan trọng, khi lượng amoni và mức
nitrit/nitrat vượt qúa sẽ có hại đối với chất lượng nước. Amoni tạo ra một nhu cầu về
oxy trong môi trường nước, cần phải có 4,5 gram oxy để oxy hoá 01 gram amoni [2].
Nitrit rất độc đối với đời sống thủy sinh và có thể gây ra chứng giảm khả năng vận
chuyển oxy của máu trong sinh vật [28]. Những yếu tố này yêu cầu một phương pháp
hiệu quả để loại bỏ nitơ trong nước thải trước khi thải vào các hệ thống nước tự nhiên.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
Bể tử hoại
(Kỵ khí)
Pha hiếu khí Thiếu khí
Nguồn
Carbon
N
2

Quá trình loại
bỏ nitơ
NH
4
+
Nitơ
hữu cơ
NO
3
-
Quá trình
Nitrat hóa
Quá trình phản
Nitrat hóa
23
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
Trong một mẫu nước thải chưa xử lý, phần lớn thường là amoni và các nitơ hữu cơ các
chất này bị oxy hoá thành nitrit và sau đó là nitrat trong môi trường. Phương pháp
thông thường để loại bỏ nitơ khỏi nước thải bắt đầu bằng cách oxy hoá amoni,
nitrit/nitrat (quá trình nitơ hoá) và chấm dứt bằng cách chuyển hoá nitrit/nitrat thành
khí nitơ (quá trình khử nitơ).
Quá trình nitơ hoá sinh học là một quá trình hai bước, bắt đầu bằng amoni được
chuyển thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó nitrit bị oxy hoá thành nitrat do
vi khuẩn Nitrobacter [1,2]. Những dòng vi khuẩn này là ví dụ điển hình trong quá
trình nitơ hoá. Chúng có khả năng tự dưỡng trong tự nhiên và sử dụng nguồn CO
2
làm
nguồn cacbon trong tế bào của chúng. Việc hấp thụ amoni như là nguồn nitơ sẽ cao
hơn so với quần thể vi sinh tự nhiên có trong hệ thống xử lý nước thải. Chúng có khả
năng sử dụng các nguồn nitơ từ nitrit và nitrat cho việc hô hấp (khử nitơ) và để sinh

trưởng. Bởi vì sự nhạy cảm của quá trình này, do đó dựa vào bước nitơ hoá amoni để
chuyển amoni thành nitrit bằng cách sử dụng vi khuẩn tự dưỡng, quá trình này đòi hỏi
thời gian trung bình duy trì tế bào lâu, kéo dài đến vài ngày và nên đòi hỏi phương tiện
lưu giữ lớn. Vi khuẩn rất nhạy với nhiệt độ lạnh cũng như sự có mặt của các hoá chất
độc trong hệ thống. Tốc độ nitơ hoá chậm lại đáng kể khi thời tiết lạnh. Nhiệt độ dưới
8
o
C có thể làm cho vi khuẩn ngừng tăng trưởng, nhiệt độ tối ưu là 30
o
C.
Vi khuẩn phản nitrat hóa phần lớn là các vi khuẩn dị dưỡng yếm khí tùy tiện:
Pesudommonas, Bacterium, Nitrococcus, Achromobacter, Bacillus Trong môi trường
đủ oxy, các vi khuẩn này oxy hóa các hợp chất hữu cơ giống như các vi khuẩn hiếu khí
bình thường. Khi môi trường thiếu oxy chúng mới tiến hành khử nitrat dưới tác động
của các enzyme Nitritreductase và Nitratreductase. Sự có mặt của oxy sẽ ức chế hoạt
động của enzyme này và dẫn đến kìm hãm quá trình phản nitrat hóa.
Trong hệ thống aroten sử dụng bùn hoạt tính với sự có mặt của các loại vi khuẩn
phân giải chất hữu cơ, vi khuẩn nitrat hóa và cả vi khuẩn phản nitrat hóa thì hiệu quả
xử lý nitơ phụ thuộc vào điều kiện vận hành. Giai đoạn đầu là giai đoạn hiếu khí là giai
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
24
Luận văn Thạc sỹ khoa học Lê Thị Hương
đoạn nitơ hữu cơ bị phân hủy để vào sinh khối tế bào, tạo NH
4
+
rồi chuyển sang dạng
NO
2
-
và NO

3
-
. Sau đó nước thải được đưa sang bể chứa một thời gian tạo điều kiện
thiếu khí để phát huy hiệu quả khử nitrat của vi khuẩn.
1.5.2. Các công nghệ xử lý nitơ mới trên cơ sở ANAMMOX
Cơ chế của quá trình anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) là phản ứng
oxy hóa kỵ khí amoni, trong đó amoni bị oxi hóa bởi nitrite để tạo thành nitơ tự do,
không cần cung cấp chất hữu cơ cho quá trình phân hủy sinh học này [12].
Quá trình khử nitơ trong nước thải bằng hệ vi khuẩn Anammox có thể biểu diễn
bằng sơ đồ sau:
NO
2
-
+ NH
4
+
→ N
2
+ 2H
2
O
Hình 1.8. Quá trình khử nitơ truyền thống và quá trình Anammox.
Phản ứng anammox đã được xác nhận là sự oxy hoá amoni bởi nitrit, phản ứng hoá học
đơn giản với tỷ lệ mol NH
4
+
: NO
2
-
= 1:1 như ở phương trình:

(Quá trình nitrat hóa bán phần) 2NH
4
+
+ 1.5O
2
→ NH
4
+
+ NO
2
-
+ H
2
O + 2H
+

(anammox) NH
4
+
+ NO
2
-
→ N
2
+ 2H
2
O
(Tổng) 2NH
4
+

+ 1.5O
2
→ N
2
+ 3H
2
O + 2H
+
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội CNSH 2008-2010
25
Quá trình khử nitơ tự dưỡng
Quá trình khử nitơ truyền thống
Cố định Nitơ