Quá trình Anamox và một số ứng dụng

NỘI DUNG ĐỀ TÀI
1.Giới thiệu chung về Anammox
2. Cơ chế của anammox
3. Các đặc điểm sinh lý của anammox:
4.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
khử nitơ bằng hệ vi sinh vật anammox
5. Một số quá trình xử lí và ứng dụng cụ
thể của anammox:

KẾT LUẬN VÀ
KIẾN NGHỊ


1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANAMMOX:
1.1 Khái niệm:

Quá trình oxi hóa amoni yếm khí (Anaerobic ammonium oxidation - Anammox),
trong đó, amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N2 dưới điều
kiện yếm khí với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo
thành khí N2.

Sơ đồ quá trình Anammox


1.2 Sự phát hiện vi khuẩn anammox:

-Năm 1995, phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium (Anaerobic Ammonium
Oxidation, viết tắt là AnAmmOx) đã được phát hiện. Trong đó ammonium
được oxy hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hưu
cơ, để tạo thành nitơ phân tử (Strouss và cs.,1995).
-Tiếp theo đó phản ứng anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và nhận

dạng tại các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà khoa học Đức (Schmid et al.,
2000), Nhật bản (Furukawa et al., 2000), Thụy sĩ (Egli et al., 2001), Bỉ
(Pynaert et al., 2002), và Anh (Schmid et al., 2003).


Như Strous và cộng sự đã dựa trên cân bằng khối qua quá trình
nuôi cấy làm giàu Anammox, phương trình của quá trình
Anammox được đưa ra như sau:
NH4+ + 1,3 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ → 1,02 N2 + 0,26
NO3- + 0.066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O

N-3H4+1
N+5O3-1

N-1H2OH

N2-2H4

N+3O2-1

esinh

khối

eN20


Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia (John Fuerst/Rick Webb)

1.3 Sự khác biệt giữa công nghệ MBR và quá trình xử lí nitơ
truyền thống:

• Xử lí nitơ truyền thống gồm:
GIAI ĐOẠN 1:
• Nitrat hóa
GIAI ĐOẠN 2:
• Khử nitrat hóa

• Công nghệ MBR gồm:
GIAI ĐOẠN 1:
• Nitrit hóa bán phần
GIAI ĐOẠN 2:
• Khử nitrit thông qua hệ thống màng vi lọc.


Nước thải vào

Nước thải vào

Bể điều hòa
Bể điều hòa
Công nghệ
XLNT
truyền thống
và công nghệ
MBR

Bể sinh học hiếu khí

Bể lắng 2
Bể MBR
Bể khử trùng
Nguồn tiếp nhận
Công nghệ XLNT hiếu khí truyền thống

Nguồn tiếp nhận

Công nghệ XLNT MBR


Quy trình xử lí theo truyền thống


Công nghệ xử lý nước thải MBR


Màng lọc trong công nghệ MBR


2. Cơ chế của anammox:
2.1 Cơ chế sinh hóa của
anammox:
CHÚ THÍCH:
NR: enzim khử nitrit
( sản phẩm giả thiết là
NH2OH)
HH: hydrezyne
hydrolase, enzim xúc
tác tạo hydrazyne từ

amoni và
hydroxylamine
HZO: enzim oxy hóa
hydrazyne ( tương tự
hydroxylamine
oxidoreductase tức
HAO ở các
Nitrosomonas)
Cytoplasm : tế bào chất

Cơ chế quá trình Anammox


Cơ chế chuyển hóa của anammox


Sơ đồ phân khoang tế bào Anammox

Cell wall: thành tế bào
Intracytoplasm: màng trong tế bào chất
Cytoplasmic membrane: màng tế bào chất
Nucleotid: thể nhân


2.2 Vi sinh học của anammox:
2.2.1 Định danh, phân
loại vi khuẩn anammox:

Đến nay, đã có 3 chi của vi khuẩn anammox được phát hiện gồm Brocdia, kuenenia,
scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành

phân nhánh sâu của ngành planctomycetes, bộ Planctoycetales.
Trên cơ sở phân tích 16S rDNA. Năm 2000, Các vi khuẩn anammox được phát hiện ở hệ
thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức) được xác định là mới (độ tương tự dưới 90% so với B.
Anammoxidans) và được đặt tên là Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Sau đó, vi khuẩn
anammox được phát hiện ở Thụy Sĩ, Bỉ cũng được xác định chính là Candidatus
Kuenenia Stuttgartiensis.
Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương pháp
mẻ liên tục(SBR), vi khuẩn được tách bằng kỹ thuật ly tẩm gradient tỷ trọng, chiết xuất
DNA, rồi tiến hành phân tích trình tự 16S, rDNA. Planctomycetables được biết là nhóm
các vi khuẩn có nhiều đặc trưng riêng biệt như thành tế bào không chứa peptidoglycan,
sinh sản bằng đâm chồi, phân khoang nội bào,….


Các phát hiện
Kết quả phân tích trình tự 16S rDNA trên vi sinh vật tử màng sinh học sau đó đã phát
hiện các vi khuẩn anammox chỉ có độ tương tự 92,2% với C.Brocadia
anammoxidans và tương tự rất thấp với các nhóm khác đã biết trước đó. Trên cơ sở
đó, một dòng anammox mới, ký hiệu KSU-1 đã được xác lập trong các
Planctomycetas.
Một điểm khá thú vị liên quan đến enzim đặc trưng HZO của vi khuẩn anammox. HZO
có cấu trúc tương tự HAO trong các vi khuẩn Nitroxomonas tức là chứa các
cytochrome c (cyt c) với các hàm c và các hàm hấp thụ mạnh ở 468nm. Vì ion trung
tâm của các hàm này là sắt nên vi khuẩn anammox có màu đỏ đặc trưng nếu tập trung ở
mật độ lớn.--> dấu hiệu nhận biết sự xuất hiện của vi khuẩn anammox
Các loài anammox khác đã được phát hiện đĩa tử quay sinh học nitrat hóa tại
một nhà máy xử lý nước thải ở pitsea(Anh).


Bảng 1: Danh sách các vi khuẩn Anammox được phát hiện
STT

CHỦNG VI SINH VẬT

1

Brocadia

2

Kuenenia

LOÀI VI SINH VẬT
Brocadia anammoxidans
Brocadia fulgida
Brocadia sinica
Kuenenia stuttgartiensis
Scalindua brodae
Scalindua wagneri
Scalindua sorokinii
Scalindua arabica
Scalindua sinooilfield
Scalindua zhenghei

3

Scalindua

4

Jettenia

Candidatus Jettenia asiatica

Anammoxo- globus

Anammoxoglobus propionicus
Anammoxoglobus sulfate

5


Về mặt phân loại, các vi khuẩn
Anammox là những thành viên mới tạo
thành phân nhánh sâu của ngành
Planctomycetes, bộ Planctomycetales.
Cây phát sinh loài của bộ
Planctomycetales được đưa ra ở hình vẽ:

Cây phát sinh loài của bộ
Planctomycetales

Vi khuẩn Anammox đặc trưng bởi sinh khối màu đỏ
nâu, tỉ lệ tăng trưởng riêng cực đại rất thấp
(µ=0,00648/ngày), thời gian nhân đôi là 10,6 ngày và
sinh khối tạo thành ít (0,11÷0,13g VSS/g NH4+-N). Vi
khuẩn Anammox phát triển tốt ở nhiệt độ 22÷43ᴼC,
pH khoảng 6,4÷8,3. Hoạt tính của Anammox bị ức chế
hoàn toàn ở nồng độ oxi trên 0,5% không khí bão hòa.

Vấn đề
phát sinh

Một trong các vấn đề là các vi khuẩn anammox sinh
trưởng rất chậm (thời gian nhân đôi hơn 3 tuần), nên
việc nuôi cấy, phân lập gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên,
nhờ vào kỹ thuật sinh học phân tử, việc phát hiện trực
tiếp trên mẫu sống (in situ) và định danh các vi khuẩn
anammox đã được thực hiện thuận lợi.

Qúa trình
nghiên cứu

Một vấn đề đang được tiếp tục nghiên cứu là mặc dù
giữa 3 chi anammox đã biết có chung tổ tiên, nhưng
hơi xa nhau về mặt tiến hóa (độ tương tự nhỏ hơn 85%
dựa trên 16S rDNA); trong khi chúng có những tương
đồng về mặt tuýp (phenotype): sinh trưởng với tốc độ
chậm như nhau, đều có anammoxosome, lớp màng
chứa các lipid ladderance.

Vấn đề
phát sinh


3. Các đặc điểm sinh lý của anammox:

• Anammox được biết có thể hoạt động trong khoảng nhiệt đọ từ 20 đến 43C (tối
ưu ở 40C)
• Điều kiện tối ưu, tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 umol NH4 N/g

protein/min
• pH từ 6,4-8,3 (tối ưu ở 8.0). Các chất khoáng và chất dinh dưỡng cũng ảnh hưởng tới
anammox như: EDTA,…ngoài ra nó còn bổ sung thêm một lượng muối Ca và Mg với
nồng độ 120-180mg/l.
• Khi tiếp xúc với nồng độ nitrit trên 5mM trong thời gian dài (12h), hoạt tính
anammox bị mất hoàn toàn. Tuy nhiên hoạt tính sẽ được phục hồi khi thêm lượng
vết (50 uM) một trong các sản phẩm trung gian của phản ứng anammox là
hydrazine hay hydrolamin
• Hoạt tính anammox bị ức chế hoàn toàn ở nồng độ oxy trên 0,5 % bão hòa không
khínồng độ 100 mM, ammonium và Nitrat không ức chế bởi nitrit ở nồng độ
• Ở
trên 20mM
• Ái lực với các cơ chất ammonium và Nitrit rất cao (hằng số ái lực dưới 10 uM)


Bảng 2: Một số đặc trưng sinh lí của vi khuẩn và phản ứng anammox
Thông số

Nồng độ

Anammox
(NH­4++ NO2­→ N2)

AOB
(NH+4 + O2 → NO­2)

∆G0

kJ/mol

-357

-275

Y

mol-C/mol-N

0.066

0.08

qmax hiếu khí

nmol/min/mg/protein

0

200 – 600

qmax kị khí

nmol/min/mg/protein

60

2

µmax

/h

0.003

0.04

DT

ngày

10.6

0.73

Ks- (NH4+)

µM

5

5 – 2600

Ks (NO2-)

µM

<5

K.A

Ks (O2)

µM

K.A

10-50

Chú thích:

-∆ G0: năng lượng tự do; -Y: hiệu suất tạo sinh khối
-qmax: hoạt tính cực đại; -mmax: tốc độ sinh trưởng cực đại
-DT: thời gian nhân đôi; -Ks: hệ số ái lực
-K.A: không áp dụng (Jetten et al., 2001)


4.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitơ bằng hệ vi sinh vật anammox

TN­NH4, TN­NO2, TN­NO3

-Quá trình Anammox không bị ức chế bởi nồng độ tổng nitơ amonia TAN hoặc các sản phẩm trung gian của quá
trình nitrate hóa ở nồng độ tối đa là 1gN/L.
-Vi khuẩn có thể bị ức chế khi nồng độ TNO2 vượt quá 100 mgTNO2-N/L, Strous et al. (1999).
-Fux (2003) chỉ ra rằng sự tồn tại TNO2 với nồng độ 40 mgTNO2-N/ L kéo dài nhiều ngày có thể ức chế hệ vi khuẩn
Anammox.
-Hơn nữa , theo nghiên cứu của Strous et al. (1999b) khi tăng nồng độ TNO2 có thể làm thay đổi tỷ lệ tiêu thụ của
TAN và TNO2 từ 1,3 gTNO2-N/gTAN-N ở nồng độ 0,14 gTNO2-N/L lên 4gTNO2-N/gTAN-N ở nồng độ 0,7
gTNO2-N/L.
-Như vậy hệ vi sinh vật có khuynh hướng sử dụng TNO2 nhiều hơn khi nồng độ TNO2 tăng lên trong nước thải.

DO

- Oxy có thể ức chế vi khuẩn Anammox khi nồng độ DO lớn hơn 0,01 mg/L (van de Graaf et al.,
1996).

Phosphate
-Sự ức chế của nồng độ phosphate đối với 2 loài CandidatusBrocadia anammoxidans và
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis là khác nhau và được ghi nhận qua nhiều nghiên cứu.
-Van de Graaf et al. (1996) đã nghiên cứu trên loài Candidatus Brocadia anammoxidans và ghi
nhận được sự suy giảm hoạt tính của vi khuẩn khi nồng độ phosphate lớn hơn 155 mgPO43-/L.
-Trong khi đó, Egli et al. (2001) không ghi nhận được sự ức chế của phosphate đối với loài
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis khi nồng độ phosphate tăng lên đến 620 mgPO43-/L.


Nhiệt độ và pH

-Theo Egli et al. (2001), loài Candidatus Brocadia anammoxidans thích hợp với nhiệt độ khoảng
370C.
-Ngưỡng nhiệt độ của loài Candidatus Brocadia anammoxidans là 100C và 430C và hoạt tính tối
ưu ở 370C (Strous et al., 1999b).
-pH tối ưu cho hoạt động của hệ vi khuẩn Anammox là 6.7 - 8.3.


Nồng độ sinh khối

-Nồng độ sinh khối đóng một vai trò quyết định trong hoạt động của hệ vi khuẩn Anammox.

Các yếu tố khác

-Một số nghiên cứu về hệ vi khuẩn Anammox của Van de Graaf et al. (1996) cho thấy rằng một số
nguồn carbon như acetate, glucose và pyruvate có ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của hệ vi
khuẩn Anammox.
-Tính hoạt hóa của vi khuẩn Anammox có thể bị ức chế dưới ánh sáng mặt trời. Hoạt tính của vi
khuẩn anammox có thể giảm 30 - 50 % dưới ánh nắng mặt trời.


5. Một số quá trình xử lí và ứng
dụng cụ thể của anammox:

5.1 Quá trình SHARON:

Quá trình SHARON
được ứng dụng trong
các hệ thống khử nitơ
cho nước thải có hàm
lượng ammonium cao.

SHARON (Single reator for High Activity Ammonium Removal Over
Nitrite) là thiết bị phản ứng đơn dùng cho việc khử ammonium có hoạt
tính cao thông qua nitrite.
NH4+ + 1.5O2 = NO2- + H2O + 2H+

Sự oxy hóa NH4+ dừng lại ở NO2- bằng cách tạo ra điều kiện thích hợp
cho vi khuẩn nitrate hóa hoạt động. Điều kiện thích hợp được nghiên cứu
đã được ứng dụng cho nhà máy xử lý nước thải ở Hà Lan có các thông số
sau: thời gian lưu từ 1 – 2.5 ngày trong thiết bị SBR, nhiệt độ từ 25 – 30
0C, pH 7 – 8.5 .