Nghiên cứu quá trình xử lý nước thải chứa nito với hệ thống xử lý SBR thiếu khí

Lời cảm ơn
Bản luận án này đợc hoàn thành tại Bộ môn hoá sinh và
sinh học phân tử, phòng 202- C4, Viện Công nghệ sinh học
và Thực phẩm, Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc sự hớng dẫn rất tận
tình, chu đáo, khoa học của TS Tô Kim Anh đã giúp đỡ tôi
tận tình trong quá trình làm luận án tốt nghiệp.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ chân thành
của các bạn sinh viên trong nhóm Xử lý nớc thải chứa nitơ ,
đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo: Trần Ngọc Hân.
Cho phép tôi đợc bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến toàn
thể anh, chị, em, các bạn sinh viên làm việc tại các phòng thí
nghiệm thuộc Viện Công nghệ sinh học và thực phẩm, Trờng
Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm của
gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập để cho tôi
hoàn thành bản luận án này.

1


Mục lục
tổng quan tài liệu..........................................................7
phần II : phơng pháp nghiên cứu.....................................52
phần III : Kết quả nghiên cứu và thảo luận......................71
phần IV : Kết luận..........................................................82
phần V : tài liệu tham khảo............................................83
phần VI : Phụ lục............................................................84

Đặt vấn đề
Hiện nay đã có rất nhiều lời cảnh báo về ảnh hởng của

nớc thải chứa nitơ đến môi trờng trong đó có rất nhiều
nghiên cứu chỉ ra ảnh hởng nghiêm trọng của nớc ô nhiễm
nitơ đến sức khoẻ của cộng đồng. Không chỉ ở Việt Nam,
mà trên thế giới hiện tợng này đã gây đau đầu không ít nhà
khoa học nghiên cứu về vấn đề này.
Các phơng pháp xử lý nớc ô nhiễm nitơ nói riêng và nớc
thải nói chung hiện nay có rất nhiều. Cùng vói nó là các hệ
thống xử lý nớc thải khác nhau. ở Việt Nam hiện nay đã áp
dụng và nghiên cứu đợc một số hệ thống xử lý nớc thải nói
chung, tuy nhiên các hệ thống xử lý mới thì hiểu biết về nó
còn hạn chế.
Hệ thống SBR hiện nay đợc đánh giá là một giải pháp lý
2


tởng nhất cho ứng dụng thơng mại và đô thị. Đây là những
gì EPA đánh giá về hệ thống này Hệ thống SBR có một
ứng dụng rộng rãi cho xử lý máy hoá với những lu lợng nớc nhỏ,
bởi vì nó cung cấp xử lý gián đoạn. Hệ thống này phù hợp lý tởng cho các dòng chảy có lu lợng thay đổi rộng điều khiển
bằng chế độ nạp và rút, ngăn ngừa hiện tợng thoái hoá bùn
mà hay gặp ở các hệ thống hiếu khí mở rộng. Một thuận lợi
khác của hệ thống là không cần nhiều ngời điều khiển nhng
hiệu quả xử lý vẫn rất cao.
ở Việt Nam hiện nay việc tìm hiểu, nghiên cứu về hệ
thống này cha đợc biết đến nhiều. Hi vọng rằng hệ thống
này với những rất nhiều u điểm sẽ nhanh chóng đợc quan
tâm và triển khai tại Việt Nam.
Nhằm góp phần làm giảm ô nhiễm về nớc, cũng nh
đóng góp vào việc tìm hiểu và áp dụng các phơng pháp mới
vào việc xử lý nớc thải chứa nitơ ở Việt Nam chúng tôi tiến

hành làm đề tài nghiên cứu : Khảo sát quá trình phản nitrat
hoá và nghiên cứu điều kiện xử lý nitơ trong hệ thống SBR
thiếu khí. Đề tài của bao gồm các phần sau :
1) Khảo sát quá trình phản nitrat.
2) Tiến hành xây dựng hệ thống xử lý ở quy mô phòng
thí nghiệm.
3) Nghiên cứu quá trình xử lý nớc thải chứa nitơ với hệ
thống xử lý SBR thiếu khí.
3


Trong đợt làm luận án này việc tìm hiểu về đề tài này
đã mang lại cho chúng tôi nhiều điều bổ ích. Tôi xin chân
thành cảm ơn các bạn sinh viên, những thầy cô giáo đã tạo
điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình này.

4


Các ký hiệu, cụm chữ viết tắt dùng trong luận án
BBS (Blue Baby Syndrome)
Bộ KHCN & MT

: Hội chứng xanh da.

:Bộ Khoa Học Công Nghệ và Môi Tr-

ờng
BOD (Biochemical Oxygen Demand)

:Nhu

cầu

oxy

sinh học
COD (Chemiacal Oxygen Demand) :Nhu cầu oxy hoá học
ĐBSH

:Đồng bằng sông Hồng.

ĐBSCL

:Đồng bằng sông Cửu Long

DO (Dissolved Oxygen)

:Nhu cầu oxy hoà tan

EPA (Environment protect agent)

:Cơ quan bảo vệ môi

trờng Mỹ
KCN

:Khu công nghiệp

KCX

:Khu chế xuất

NHL (lympho non-Hodgkin)

:Bệnh

huyết
NH4+

:Amoni

NO3-

:Nitrat

NO2-

:Nitrit
5

u

hệ

bạch


N- NH4+

:Nit amoni

N- NO3-

:Nit nitrat

N- NO2-

:Nit nitrit

HNO2

:Axít nitơ

O2

:Oxy

Sắt nitronsyl

:Fe2(SCH3)2(NO)4

SBR (Sequencing Batch Reactor)

:Thiết bị xử lý gián

đoạn
SS (Suspend Solid)

:Hàm lợng rắn huyền

phù
Vin KTN & BVMT

:Vin K thut Nhit i v Bo v mụi

trng
VSV

:Vi sinh vt

WHO ( World Health Organization) :Tổ chức sức khoẻ
thế giới

6


tæng quan tµi liÖu
ch¬ng I :

tæng quan vÒ « nhiÔm nguån níc
chøa nit¬

I.1. T×nh h×nh « nhiÔm nguån níc chøa nit¬ :
I.1.1

Níc sinh ho¹t :

Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên quyết định 1329 của Bộ
Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng amoni : 1.5mg/l. Trên thực

tế, kết quả phân tích các mẫu nước đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi
cao từ 2030 lần. Theo số liệu điều tra mới đây của Bộ Xây dựng cho thấy:
nước dùng để ăn uống ở các làng quê, thị xã, thành phố lấy từ nước giếng
khoan đều bị nhiễm nitơ liên kết: amoni, nitrat và nitrit. Bộ Xây dựng đã phân
loại từng địa bàn, tiến hành điều tra lấy mẫu nước sinh hoạt tại một làng, xã,
nông thôn, đồng bằng, thị xã và thành phố có mật độ dân cư cao và phát hiện
thấy mẫu nước sinh hoạt tại tất cả các thôn đều bị nhiễm nặng amoni từ
1530mg/l quá cao so với tiêu chuẩn cho phép.[12]
I.1.2

Níc mÆt :

Số liệu về chất lượng nước mặt ở Việt Nam còn rất ít. Tuy các kết quả
thực nghiệm còn chưa được thực hiện nhiều nhưng cũng cho thấy mức độ ô
nhiễm ở hạ lưu một số con sông chính ngày càng tăng.
Chất lượng nước ở thượng lưu một số con sông chính còn rất tốt, trong
khi các vùng hạ lưu đã có dấu hiệu bị ô nhiễm do ảnh hưởng của các vùng đô
thị, và các cơ sở công nghiệp. Mạng quan trắc môi trường quốc gia tiến hành
quan trắc ở 4 con sông chảy qua các đô thị chính ở Việt Nam là sông Hồng
7


(Hà Nội), sông Cầu (Hải Phòng), sông Hương (Huế) và sông Sài Gòn (Thành
phố Hồ Chí Minh) và có một số con sông khác cũng được quan trắc (Bảng
sau).
Vùng

Sông

Vượt tiêu chuẩn loại A

ĐBSH

Sông Hồng - Lào Cai –

1.5÷2/NH4+

Hà Nội
Sông Hồng đoạn từ Sông

3.8/BOD5, 2/ NH4+

Hồng đến Việt Trì
Sông Cầu

2/NH4+

Sông Thương

2.7/BOD5

Sông Hiếu

2÷3/BOD5,1.5÷1.8/NH4+

Sông Hương

2.5/BOD5

Duyên Hải và Nam Trung Bộ

Sông Hàn

1÷2/BOD5, 1.4÷2.6/ NH4+

ĐBSCL

Sông Sài Gòn

2÷4/BOD5

Sông Thị Vải

10÷15/BOD5

Bắc Trung Bộ

Các số liệu khảo sát do Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trường
cũng cho thấy, hàm lượng của các chất gây ô nhiễm trong các sông của Hà
Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Hải Dương, Bắc Giang, Huế, Đà
Nẵng, Quảng Nam và Đồng Nai cao hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều.

8


Cỏc xu th cho thy, giỏ tr o c 2 thụng s ụ nhim c bn l :
amoni v nhu cu oxy sinh húa dao ng khỏ nhiu v vt mc tiờu chun
loi A mt vi ln (hỡnh sau). Tỡnh trng ụ nhim cng tr nờn trm trng hn
vo mựa khụ khi m cỏc dũng chy sụng ngũi h thp.

I.1.3

Nớc ngầm :

ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, theo kết quả khảo sát của
các cơ sở nghiên cứu thuộc Trung tâm khoa học tự nhiên và
công nghệ quốc gia và Trờng đại học Mỏ-Địa chất thì phần
9


lớn nớc ngầm gồm các tỉnh: Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh
Bình, Hà Nội, Hải Dơng, Hng Yên, Thái Bình đều bị nhiễm
bẩn bởi amoni rất nặng.

[12], [14]

Mt nghiờn cu thc hin H Ni ó cnh bỏo v tỡnh hỡnh ụ nhim
amoni trong nc di t phớa Nam H Ni. Nng amoni trong nc ó
qua x lý ca 3 nh mỏy nc cao hn tiờu chun cho phộp 2ữ 8 ln. Tt c
cỏc mu nc ly t tng nc trờn u cú hm lng amoni cao hn tiờu
chun nhiu ln. Cỏc nh khoa hc c tớnh l vi mc khai thỏc 700.000
m3/ngy nh hin nay thỡ s dn n nguy c h thp mc nc ngm xung
114 m v hin tng ụ nhim ngun nc di t s ph bin H Ni.
Nguy hi hn, mc ụ nhim ang tng dn theo thi gian, xó Yờn S
trong nm 2002 kt qu o c cho thy hm lng amoni l 37.2 mg/l hin
nay ó tng lờn 45.2 mg/l, phng Bỏch Khoa mc nhim t 9.4 mg/l, nay
tng lờn 14.7 mg/l, phng Tng Mai l 13.5 mg/l. Ngi dõn ti khu vc
ny cng tha nhn ngun nc ly t cỏc ging khoan rt c, vng. ễng
Trn Vn Dng, xó Yờn S, huyn Thanh Trỡ núi: "Chỳng tụi ch bit dựng b
cỏt lc ly nc n, song vn khụng kh ht mựi tanh v l l". Cú ni

cha tng b nhim amoni song nay cng ó vt tiờu chun cho phộp nh
Long Biờn, phng Trung Hũa, xó Tõy M, xó Trung Vn, ụng Ngc...Hin
gi cỏc ngun nc nhim bn ó lan rng trờn ton thnh ph. Xác suất
các nguồn nớc ngầm nhiễm amoni có nồng độ cao hơn tiêu
chuẩn nớc sinh hoạt (3 mg/l) khoảng 7080%. Trong nhiều
nguồn nớc ngầm còn chứa khá nhiều hợp chất hữu cơ, độ oxy
hoá có nguồn đạt tới 3040 mgO2/l. Tng nc ngm di (cỏch mt
t t 4560 m) l ngun cung cp cho cỏc nh mỏy cng b nhim bn. Hin
cỏc nh mỏy nc H ỡnh, Tng Mai, Phỏp Võn, Linh m ó b nhim
10


amoni v cú hm lng st cao 1.219.5 mg/l. Nc t cỏc nh mỏy ang
ng trc nguy c nhim bn bi vn cha cú hng mc x lý amoni. Duy
nht, nh mỏy nc Nam D ang xõy dng h thng ny vi chi phớ khong
40 t ng.
Nh vậy có thể nói rằng, khả năng nhiễm bẩn bởi amoni
và hợp chất hữu cơ trong nớc ngầm ở đồng bằng Bắc Bộ đã
đến mức báo động và khả năng tác động amoni lên cơ thể
con ngời là chắc chắn.
I.1.4

[13]

Nớc thải :

khu vc kinh t trng im phớa Nam theo Vin KTND & BVMT,
mi ngy cỏc khu cụng nghip v cỏc khu ch xut thi ra trờn 137.000 m 3
nc thi cú cha gn 93 tn cht thi ra cỏc h thng sụng ng Nai, Th
Vi v Si Gũn. Trong khi ú thỡ ch cú 2 trong s 12 KCN v KCX ca thnh

ph H Chớ Minh, 3 trong s 17 KCN v KCX ca ng Nai, 2 trong s 13
khu ca Bỡnh Dng v khụng cú khu no ca B Ra Vng Tu cú h thng
x lý nc thi. Theo cỏc chuyờn gia v mụi trng khu vc kinh t trng
im phớa Nam, cn phi u t khong 5.7 nghỡn t ng (380 triu ụ la
M) n nm 2003 v 13 nghỡn t ng (687 triu ụ la M) n nm 2010.
I.2. các nguồn gây ô nhiễm nitơ trong nớc :
S ụ nhim nitrat cng xut hin trong cỏc c cu a lý liờn quan n
lng nit t cỏc ngun khớ thi nh xe hi, cỏc khớ thi cụng nghip v cỏc
c tớnh ti tiờu cho t. Cỏc khu vc m t c ti tiờu tt v ngun
nit u vo cao thỡ nng nitrat cú trong ngun cung cp nc l cao nht.
Vớ d : mt vi khu vc rng ln ca cỏc bang c mnh danh l vnh ai
ng cc ca Midwestern M cú nng nitrat cao hn nng t nhiờn.
11


Mc ụ nhim tng lờn trong khi cỏc tỏc nhõn nhim bn cha c ngn
chn. Nhiu h dõn khoan ging bng nhng thit b khụng ỳng tiờu chun,
nc bn trờn b mt thm theo ng khoan i vo lũng t, tỡnh trng ny
cng ph bin trờn nhng rung rau ngoi thnh nh ụng Anh, Gia Lõm,
Thanh Trỡ. Cựng vi ú l rỏc thi nhiu khu dõn c khụng c thu gom v
x lý ó tỏc ng xu ti ngun nc. Cỏc yu t t nhiờn nh phõn hy cht
hu c trong than bựn cng l ngun gc gõy ụ nhim amoni.
I.3. thực trạng xử lý :
Để xử lý hoặc loại bỏ amoni trong nớc sinh hoạt ngời ta có
thể sử dụng một số giải pháp kỹ thuật nh trao đổi ion, clo
hoá, sục khí, phơng pháp vi sinh...Trong tất cả các phơng
pháp xử lý amoni, phơng pháp vi sinh đợc sử dụng có hiệu
quả trong thời gian gần đây, phơng pháp này có thể biến
đổi amoni thành nitơ dạng khí hoặc chuyển hoá tới dạng
nitrat đỡ độc hại hơn, ở Việt Nam đã có một số kết quả khả

quan về phơng pháp này ở quy mô nhỏ (xử lý 20ữ 30 l/ngày).
Vấn đề nhiễm bẩn nớc chứa amoni và các hợp chất hữu
cơ vẫn đang đợc các nhà khoa học nghiên cứu. Tuy nhiên nhu
cầu về công nghệ xử lý nớc nhiễm amoni và các hợp chất nitơ
trong nớc là rất cấp bách và không thể trì hoãn.
I.4. ảnh hởng của nguồn nớc chứa nitơ đến môi trờng:
Nớc thải giàu nitơ nếu không đợc xử lý trớc khi thải vào
môi trờng sẽ gây ra những ảnh hởng sau:
1. Gây hiện tợng phì dỡng trong hệ sinh thái nớc.
12


2. Làm cạn kiệt oxy trong nớc.
3. Gây độc với hệ sinh vật nớc.
4. Làm nớc ngầm ô nhiễm nitrat, ảnh hởng tới sức khỏe
cộng đồng.
Hiện tợng phì dỡng trong nớc là do d thừa chất dinh dỡng
dẫn tới sự phát triển bùng nổ của các loài tảo và vi sinh vật,
còn gọi là hiện tợng tảo nở hoa. Khi đó mật độ thuỷ sinh vật
trong hồ rất dày đặc làm cho nớc có độ màu và độ đục
cao. Ngoài ra khi một số lớn tảo chết đi sẽ cần lợng ôxy lớn tơng ứng để phân huỷ dẫn đến hàm lợng ôxy hòa tan trong
nớc bị cạn kiệt, làm chết các sinh vật sống trong nớc.
Ti liu Hng dn v cht lng nc ung ca T chc Y t th
gii cng nh Tiờu chun 1329/2002 (B Y t) khụng coi amụni l cht gõy
nguy hi cho sc kho con ngi m xp vo nhúm cỏc cht cú th lm ngi
dựng nc than phin vỡ lý do cm quan (mựi, v). Tuy nhiờn, amụni li l yu
t gõy cn tr trong cụng ngh x lý nc cp th hin hai mt:
Th nht : nú lm gim tỏc dng ca clo l tỏc nhõn sỏt trựng ch yu
ỏp dng cỏc nh mỏy nc Vit Nam, do phn ng vi clo to thnh
monocloamin l cht sỏt trựng th cp hiu qu kộm clo hn 100 ln.

Th hai : amụni cựng vi mt s vi lng trong nc (hu c, pht
pho, st, mangan) l thc n vi khun phỏt trin, gõy hin tng
khụng n nh sinh hc ca cht lng nc sau x lý. Nc cú th b c,
úng cn trong h thng dn, cha nc. Nc b xung cp v cỏc yu t
cm quan.
13


Mt hin tng na cn c quan tõm l khi nng amụni trong nc
cao, rt d sinh nitrit. y ban chõu u quy nh mc ti a ca nitrat trong
nc ung l 50 mg/l, M l 45 mg/l, T chc sc kho th gii: 100 mg/l,
tiờu chun 1329/2002 (B Y t) ó ra mc gii hn 3 v 50mg/l i vi
nitrit v nitrat. Trong c th ng vt, nitrit v nitrat cú th nh hng n
sc kho vi 2 kh nng sau: chng mỏu Methaemoglobin v ung th tim
tng.
Chng mỏu Methaemo- globinaemia (hi chng xanh xao tr em)
Trên tạp chí Y học Môi trờng của Mỹ (EHP) số ra tháng 7
vừa qua có đăng tải một bài viết nói về tình trạng mắc
bệnh xanh da ở trẻ em khi sử dụng nớc giếng bị nhiễm độc
Nitrat, theo đó ngời ta đã cảnh báo tình trạng sử dụng nớc
giếng bị nhiễm độc Nitrat dùng cho trẻ em uống sẽ gây nên
bệnh methomo-globinaemia mà ngời ta quen gọi là hội chứng
Blue Baby Syndrome, hay còn gọi tắt là BBS.
Hội chứng BBS là một căn bệnh nguy hiểm xảy ra khi
hemoglobin (Fe2+) không có khả năng vận chuyển ôxi nên làm
cho da trẻ em trở nên xanh tím, gây kích thích, hôn mê. Nếu
hàm lợng methemoglobin cao hơn 50% và không đợc điều
trị kịp thời có khả năng tử vong là điều khó tránh khỏi.
Những yếu tố gây hội chứng BBS có thể nhận biết dễ
dàng nh thiếu hụt enzyme cố hữu, viêm nhiễm, phản ứng

thuốc và nếu tiếp xúc với hoá chất, hàm lợng methemoglobin
sẽ tăng nhanh chóng.
Nguyên nhân chính là do nớc sinh hoạt bị nhiễm độc
nitrat. Tuy nhiên thức ăn có hàm lợng nitrat và nitrit cao cũng
là nguyên nhân gây bệnh. Những đứa trẻ sơ sinh trong giai
14


đoạn mới đợc 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn bệnh này vì hàm
lợng Enzyme methemoglobin reductase (Enzyme tế bào máu
đỏ có khả năng chuyển hoá methemoglobin trở lại thành
hemoglobin) tơng đối thấp.
Mối quan hệ giữa nớc giếng nhiễm nitrat và hội chứng
BBS lần đầu tiên đợc Hunter Comly, bác sĩ ở Iowa tìm thấy
hồi đầu thập niên 40 khi ông điều trị cho hai đứa trẻ mắc
chứng da xanh. Cả 2 đứa trẻ này đều bị ốm sau khi chúng
dùng nớc giếng có hàm lợng Nitơ-Nitrat : 90ữ 150mg/l. Sau khi
Comly cho công bố số liệu này, ngời ta nhận đợc nhiều báo
cáo tơng tự có liên quan đến 278 trờng hợp bị nhiễm độc ở
14 bang của nớc Mỹ và mới đây Sở Y tế và dịch vụ cộng
đồng ở Wisconsin đã tiến hành nghiên cứu mới và phát hiện
ra nhiều vụ nhiễm độc trầm trọng khác. Bởi vậy, các nhà
khoa học Mỹ đã khuyến cáo nhân dân trong các vùng
Wisconsin không nên dùng nớc giếng cho các cháu nhỏ và một
khi phát hiện thấy những sự cố bất thờng phải đa trẻ đi
khám ngay.
Ngoài Mỹ, một số nớc Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồn
nớc sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao. Ví dụ tại
Transylvania ở Rumani trong thời gian từ 1990-1994 trung
bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 đến 363 ca

nhiễm độc.
Ung th tim tng :
iu kin pH axit ca d dy, nitrat chuyn húa thnh axit nitr. Rt
nhiu trong s ú c bit n nh l tỏc nhõn gõy ung th sỳc vt. Cỏc
nghiờn cu sinh hoỏ ngi ó ch ra rng nitrat trong nc kt hp vi cỏc
15


axit amin để tạo ra các hợp chất trên. Axit là một tác nhân nitro hóa mạnh,
phản ứng với các thành phần thực phẩm kể cả các axit amin và hỗn hợp sắt,
gây tích luỹ lớn O2 ở cơ bắp. Nhiều thí nghiệm trên hàng loạt động vật (chuột
cống, ..) đă chứng minh rằng : nuôi bằng thức ăn có chứa hàm lượng muối
nitrat cao đă gây ra ung thư.
Với một số người, bia là nguồn nitrat chủ yếu: 4 chai bia con có hàm
lượng nitrat trung bình bằng 2 lần lượng hấp thụ từ thức ăn có chứa nitrat. Ở
dạ dày người lớn nhiều axit hơn trẻ em nên việc chuyển nitrat thành nitrit bị
hạn chế. Nitrat là nguồn nitrit chủ yếu trong rau và thịt ướp, còn số lượng
trong nước uống không đáng kể. Thực ra nồng độ nitrit trong rau thấp
(khoảng 1 ppm trong rau tươi) nhưng do số lượng ăn và nồng độ nitrat cao
nên rau là nguồn nitrat quan trọng, chiếm 75 % tổng mức cung cấp. Ví dụ :
rau diếp, cần tây: 100 mg/kg; đậu Hà Lan, hành, khoai tây: ~200mg/kg. Các
mức nitrat thay đổi theo mùa và điều kiện trồng trọt. nitrat còn có mặt trong
thịt, thường trong quá trình ướp thịt, người ta hay tẩm thịt sống với muối có
chứa nitrat hoặc tẩm Kali nitrat trong một số gia vị. Giới hạn cao nhất cho
phép của nitrat trong sản phẩm dăm bông và thịt xông khói là 500 ppm, trong
thịt ướp nitrat giới hạn tối đa là 200 ppm. Ướp thịt bằng Natri nitrat và Kali
nitrat làm cho thịt có hương vị thơm và màu đặc trưng, bảo quản cho thịt khỏi
bị hỏng do sự sinh trưởng của vi khuẩn kị khí gây hại tiềm tàng như
Clostridium botulinum, giới hạn tối đa Kali nitrat là 595 ppm.
Nitrat trong nước uống chỉ là nguồn rất nhỏ gây ra nitrit, tuy nhiên nếu

uống nhiều sẽ trở thành nguồn quan trọng. Người ta còn phát hiện thấy rau
muối ngâm trong nước nhiều tuần và bánh ngô cũng có hàm lượng nitrat và
nitrit cao. Trong rau muối phát hiện thấy chứa hỗn hợp sắt- nitronsyl, hợp chất
này không gây ung thư mà chỉ gây đột biến yếu, nhưng chúng có thể làm tăng
tác động ung thư của các hợp chất khác. Một số nghiên cứu cho thấy N16


nitrosamines và các hydrocacbon thơm làm tăng khả năng sinh u của ở động
vật. Trong bánh ngô thường bị nhiễm mốc Fusarium moniliform có thể tạo ra
nitrosamines, gây dễ tiếp xúc với mầm sinh ung thư tiềm tàng.
Một nghiên cứu của Viện ung thư quốc gia Mỹ gợi ý rằng sự nhiễm
Nitrate vào nước uống có thể liên quan đến sự gia tăng nguy cơ bệnh u
lympho non-Hodgkin (NHL) - một loại ung thư hệ bạch huyết, đặc biệt là ở
các vùng nông nghiệp. Sự gia tăng tần xuất tử vong do NHL cao nhất ở các
vùng này có thể được giải thích một phần là do những người nông dân ở đây
có tiếp xúc với thuốc trừ sâu.
Từ năm 1973, tần xuất mắc NHL ở Mĩ đã tăng lên khoảng 75%, một
trong những tốc độ gia tăng nhiều nhất trong số các loại ung thư chủ yếu.
Người ta dự đoán rằng vào năm 1996 sẽ có 52700 người dân Mĩ được chẩn
đoán NHL và 23300 người sẽ chết vì căn bệnh này. NCI dự đoán rằng 1/52
người nam giới và 1/61 người nữ giới ở Mỹ sẽ được chẩn đoán mắc bệnh
NHL trong đời và với cả hai giới thì cứ 100 người sẽ có gần một người chết vì
căn bệnh này.
Trong một nghiên cứu xuất bản trong số ra tháng 9 của tạp chí
"Epidemiology", các nhà nghiên cứu thuộc NCI, trung tâm y tế trường đại học
tổng hợp Nebraska tại Omaha, và trường đại học tổng hợp Johns Hopkins ở
Baltimore đã khảo sát lượng nitrat trong nước uống ở 90 phụ nữ và 66 nam
giới được chẩn đoán là NHL trong khoảng từ 1983 đến 1986 mà có dùng các
nguồn nước công cộng, đồng thời so sánh với nhóm chứng gồm 276 phụ nữ
và 251 nam giới ở cùng các hạt thuộc miền đông Nebraska mà cũng dùng

nguồn nước công cộng. Những người mắc NHL thường gặp ở nhóm dùng
lượng nitrat cao nhất (trung bình là > 6,3 mg mỗi ngày trong suốt độ tuổi
trưởng thành) nhiều gấp hai lần so với những người không mắc ung thư.
17


Những người có lượng nitrat trong nước uống cao hơn mức giới hạn qui định
của EPA 10mg/lít trong một năm hoặc hơn (chiếm tới 25% tổng số người
nghiên cứu) có nguy cơ mắc ung thư cao hơn 50% so với những người không
tiếp xúc với nitrat ở nồng độ đó. Kết quả cho thấy càng dùng nhiều nguồn
nước thì khả năng phát triển bệnh NHL càng lớn và những người bị NHL
thường gặp trong nhóm người dùng lượng nước chứa nitrate cao gấp 2 lần so
với những người không bị NHL.
NCI cũng đang tiến hành điều tra với các cư dân ở Lowa và Minnesota
là các bang làm nông nghiệp khác có các vùng với nguồn nước ngầm chứa
nhiều nitrat. Tiêu thụ nitrat cũng đang được nghiên cứu như là một yếu tố
nguy cơ có thể đối với ung thư dạ dày- một loại bệnh ít phổ biến hơn ở Mĩ so
với ở Châu Á và một vài khu vực khác trên thế giới.
Tiến sĩ Mary H. Ward, tác giả chính của nghiên cứu này phát biểu :
"Ðây là một trong những nghiên cứu dịch tễ học đầu tiên gợi ra một mối liên
hệ giữa nitrat trong nước uống và nguy cơ u lympho non-Hodgkin". Bà còn
cho biết thêm : “Những khám phá này có giá trị cao hơn nhiều bởi vì nitrat là
một chất gây ô nhiễm phổ biến có trong nước ngầm ở rất nhiều khu vực. Tuy
vậy, vẫn chưa chắc chắn liệu những khám phá này có phản ánh đúng tác dụng
của nitrat hay không". NCI đang triển khai một nghiên cứu bổ sung giúp xác
định một cách chắc chắn hơn xem liệu mối liên quan này có thực hay không
và nếu có thì nó ở mức độ nào.
Một phân tích riêng biệt các trường hợp mắc NHL và nhóm chứng là
những người sử dụng nước giếng cá nhân đã cho thấy không có liên hệ gì
giữa tần xuất NHL và mức nitrat trong nước giếng. Tuy nhiên, không giống

các nguồn nước công cộng, không có các ghi chép kéo dài nào về các nồng độ
nitrat trong các giếng cá nhân cả. Nồng độ nitrat trong nước giếng chỉ được
18


đo một lần, tại thời điểm nghiên cứu, đã gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu
trong việc xác định nguy cơ gây ung thư do tiêu dùng nitrrat đối với những
người sử dụng giếng nước cá nhân. Hai mươi phần trăm các giếng cá nhân có
mức nitrat vượt quá mức qui định của EPA. Nhìn chung, những người dùng
giếng cá nhân có vẻ như uống nước có chứa nồng độ nitrat cao hơn so với
những người dùng nước công cộng bởi vì các giếng cá nhân được xây dựng
đơn giản hơn và nông hơn.
Trong nghiên cứu này các nhà nghiên cứu cũng ước tính lượng nitrat
vào cơ thể thông qua nguồn thức ăn của từng người. Lượng nitrat trong thức
ăn càng cao (hầu hết là từ rau xanh như rau dền, rau diếp, củ cải đường) thì
nguy cơ mắc NHL càng thấp. Phát hiện dường như đối nghịch này có thể
được lý giải là do các tác dụng chống ung thư của các thành phần trong rau
xanh như vitamin C và các caroten (các hợp chất liên quan đến vitamin A).
Rõ ràng có mối quan hệ phức hợp giữa tỷ lệ mắc ung thư với mức nitrat
trong nước uống, mức nitrat/ nitrit trong thức ăn. Phải hết sức thận trọng và
nghiêm túc xem xét đầy đủ bằng chứng về các rủi ro đối với nitrat.

19


chơng II : Cơ sở quá trình khử Nitơ bằng phơng pháp sinh học

Trờn trỏi t, a s nit nm bt ng trong ỏ v t v do s hot
ng ca cỏc vi sinh vt, nit c chuyn hoỏ thnh cỏc cỏc mui ho tan v
c sinh vt s dng. S chuyn hoỏ ca nit trong mụi trng ph thuc

vo nhiu yu t nh hng nh : pH, s phõn tng nc, nhit ,
mn...Vic cung cp nit v cỏc chu trỡnh vt cht trong t nhiờn ph thuc
nhiu vo quỏ trỡnh phõn hu sinh hc cỏc hp cht cha nit trong mụi
trng. S trao i v phõn hu sinh khi khỏc nhau ỏng k gia cỏc ni
sng, kớch c v hot ng sng ca cỏc qun x vi sinh vt (VSV) v nm.
Trong cỏc mụi trng núng m v cú oxy, s phõn hu v gii phúng cht
dinh dng din ra nhanh chúng ( vựng nhit i, thi gian tn ti ca
cacbon trong lỏ cõy l 3 thỏng); rng ụn i t 4-16 nm; trong khi ú cỏc
h Bc bỏn cu cú th ti hn 100 nm). S phõn hu thng rt hn ch bi
lng nit cú sn. T l trung bỡnh ca C : N trong sinh khi VSV xp x 10 :
1; Thc vt cú t l C : N l 4080 : 1 ngha l cú s thiu ht nit; ng vt
duy trỡ t l C : N gn bng t l ca VSV phõn hu, gõy phõn hy nhanh.
Trong t, t l C : N n nh nht l ~10.
Theo Begon (1990), khi mt cht cú hm lng N < 1.21.3% c b
sung vo t thỡ bt k ion NH 4+ no cng c hp th, cũn khi cỏc cht cú
hm lng N > 1.8% c b sung thỡ cỏc ion NH4+ cú xu hng c gii
phúng.
Ton b nit trong chu trỡnh nit sinh hc din ra ch yu qua hot
ng c nh m ca cỏc vi khun sng trong cõy, cỏc to lc v cỏc VK
20


cộng sinh trong rễ của một số loài thực vật (ví dụ Rhizobium có ở trong nốt
sần của rễ một số loài họ đậu). Những sinh vật này có khả năng chuyển hóa
N2 thành NH4+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dòng nitơ trên toàn cầu, quá trình
cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho cả 2 nơi sống ở cạn và ở
nước. NH4+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích lũy
dưới dạng NO3-. Việc chuyển hóa nitơ hữu cơ gồm 4 giai đoạn:
• Amon hóa: thủy phân protein và oxy hóa các axit amin thành NH4+.
• Nitrit hóa: NH4+ tự do được oxy hóa nhờ vi khuẩn sống trong cây dưới

đất (Nitrosomonas) và dưới biển (Nitrosococcus) từ N 3- thành N3+, cho
NO2-.
• Nitrat hóa: NO2- được oxy hóa tiếp do vi khuẩn Nitrobacter trong đất
và nước biển cho NO3- (thể N5-). Dưới dạng này nitơ được các thực vật
sống trên cạn và dưới nước sử dụng.
• Khử nitrat : trong điều kiện không có oxy (ngập úng, cặn lắng...) sẽ
diễn ra quá trình khử nitrat. Trong đó NO 2- và NO3- được các vi khuẩn
sử dụng làm chất nhận electron (chất gây oxy hoá) và chuyển thành N 2,
trả lại nitơ cho khí quyển. Nitơ được cố định gần bề mặt đất có thể bị
mất do khử nitrat hóa. Quá trình này xảy ra do các vi khuẩn như
Pseudomonas denitrificans. Tuy nhiên gần đây có rất nhiều bài báo
nghiên cứu nói rằng quá trình khử nitrat có thể xảy ra trong đièu kiện
thiếu khí.
Theo Hardy và Havelka (1975), quá trình cố định nitơ và khử nitrat cân
bằng trên quy mô toàn cầu và chiếm khoảng 2% tổng nitơ tuần hoàn.
II.1.

Qu¸ tr×nh nitrat ho¸ :

II.1.1

T¸c nh©n sinh häc :

Hai nhãm vi khuÈn quan träng trong qu¸ tr×nh nitrat ho¸
21


là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có :
Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng là vi
khuẩn nitrat hoá.

Các nhóm vi khuẩn này là những sinh vật tự dỡng hiếu
khí, chúng lấy năng lợng từ sự ôxy hoá hợp chất nitơ vô cơ và
sử dụng CO2 để tổng hợp sinh khối. Mỗi loài có khả năng ôxy
hoá

nitơ

tới

mức

độ

nhất

định.

Nitrosomonas,

Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio có thể ôxy
hoá NH3 thành NO2- nhng không thể ôxy hoá hoàn toàn thành
NO3-. Trong khi đó, Nitrobacter lại chỉ ôxy hoá NO2- thành
NO3-.
Trái với những vi sinh vật dị dỡng, vi khuẩn nitrat hoá tự
dỡng phát triển rất chậm, tốc độ tăng trởng trên một đơn vị
NH4+ hoặc NO2- bị ôxy hoá thấp. Thời gian một thế hệ là
0.4ữ 2.5 ngày đối với Nitrosomonas và 0.3ữ 1.5 ngày đối với
Nitrobacter. Sản lợng tế bào là 0,29gtế

bào khô

/gN

ôxy hóa

với

Nitrosomonas và 0.08gtế bào khô/gN ôxy hóa với Nitrobacter. Nhng
cũng giống nh các vi sinh vật khác, vi khuẩn nitrat hoá có thể
sinh trởng ở tốc độ cực đại khi điều kiện môi trờng là tối u
và không có các chất độc.
Gần đây hàng loạt các loại vi khuẩn dị dỡng có khả năng
ôxy hóa NH4+ và các hợp chất nitơ hữu cơ thành NO 2-, NO3- đã
đợc

công

bố.

Methylomonas

Ví

dụ:

Methylococcus

methanica,

capsulata,

Methylosinus

trichosporium, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera
22


pantotropha, Thiobacilus novellus ...
Đại diện đặc trng cho nhóm vi khuẩn dị dỡng đợc nghiên
cứu

kĩ

nhất

là

T.pantotropha

do

Gupta

phân

lập.

T.pantotropha không những có khả năng ôxy hóa mạnh NH4+
và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ thành NO 2- và NO3- mà nó
còn có khả năng khử NO2- và NO3- thành N2. [7, 13]

Các số liệu thu đợc gần đây cho thấy quá trình nitrat
hóa nhờ các vi khuẩn dị dỡng có tầm quan trọng đặc biệt
bởi nó dễ sinh trởng và phát triển ở mọi loại môi trờng, kể cả
nơi giàu hay nghèo chất hữu cơ. Mặc dù khả năng ôxy hóa
NH4+ của các vi khuẩn dị dỡng nhỏ hơn từ 103- 104 khả năng
ôxy hóa NH4+ của các vi khuẩn tự dỡng, song bù lại chúng lại có
khả năng phát triển nhanh hơn rất nhiều lần. Hơn nữa ngoài
khả năng ôxy hóa NH4+, các vi khuẩn dị dỡng còn có cả enzim
khử nitrat (nitrat reductaza) thành N2 ngay cả trong điều
kiện có O2 bởi vậy chúng cũng là các vi khuẩn lý tởng trong xử
lý ô nhiễm môi trờng do NH4+, NO2-, NO3-.
Có 2 điều kiện cần phải đợc đáp ứng để quá trình
nitrat hoá có thể xảy ra. Thứ nhất, tuổi bùn phải đủ cao để
ngăn sự rửa trôi của bùn theo nớc trong hệ thống bùn hoạt tính.
Thứ hai, thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn và amon phải đủ
dài. Ngoài ra các yếu tố nh DO, pH, nhiệt độ... cũng ảnh hởng tới quá trình. Vì vậy, để quá trình nitrat hoá đạt hiệu
quả cao, cần tạo đợc môi trờng thích hợp cho sự phát triển
của cả hai nhóm vi khuẩn nitrat hoá.
23


II.1.2

Cơ chế của quá trình :

Trong quá trình nitrat hoá, NH4+ bị ôxy hoá theo 2 bớc:
NH4

+

Nitrosomonas



+ 1,5 O2

NO2- + 0,5 O2

2H+ + H 2 O + NO2- (1)

Nitrobacte
r NO

3

(2)



Năng lợng sinh ra từ phản ứng (1) và (2) tơng ứng đợc
cung cấp cho Nitrosomonas và Nitrobacter để tổng hợp
sinh khối. Trong đó, phản ứng (1) sinh ra khoảng 58ữ 84
kcal/mol NH3, phản ứng (2) sinh ra 15.4ữ 20.9 kcal/mol. Do
đó,

Nitrosomonas

nhận

đợc

nhiều

năng

lợng

hơn

Nitrobacter.
Tổng hợp quá trình chuyển hoá NH4+ thành NO3-:
NH4+ + 2 O2 = NO3 + 2 H + + H2O

(3)

Sử dụng công thức kinh nghiệm C 5H7NO2 biểu diễn tế
bào vi khuẩn đợc tổng hợp, có thể kết hợp phơng trình ôxy
hóa

NH4+ ,

NO2-

với

sự

tạo

thành

Nitrosomonas

và

Nitrobacter tơng ứng nh sau:
as
15 CO2 + 13 NH4+ Nitrosomon


10 NO2- + 3 C5H7NO2 + 23

H + + 4 H2 O
5 CO2 + NH4+ + 10 NO2- + 2 H2O Nitrobacte
r 10 NO3- +
C5H7NO2 + H+
II.1.3

ảnh hởng của các yếu tố môi trờng tới quá trình nitrat

24


hóa :
II.1.3.1 ảnh hởng của nhiệt độ :

Nhiệt độ tối u cho quá trình sinh trởng của vi khuẩn
nitrat hoá là 28ữ 360C trong đó khoảng nhiệt độ chấp nhận
đợc là từ 5ữ 500C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ nhỏ hơn 150C tốc
độ nitrat hoá diễn ra chậm và hầu nh vi khuẩn nitrat hoá

không còn sinh trởng ở nhiệt độ nhỏ hơn 40C. Nhiệt dộ quá
cao làm biến tính protein, gây chết vi sinh vật. Khoảng
nhiệt độ gây chết vi khuẩn Nitrosomonas ~55 ữ 580 C .
Tốc độ tăng trởng cực đại của vi sinh vật và hằng số bán
tốc độ chịu ảnh hởng của nhiệt độ. Sự phụ thuộc của tốc
độ tăng trởng riêng cực đại

à

max

và hằng số bán tốc độ ks của

Nitrosomonas vào nhiệt độ đợc cho bởi bảng sau : [10]

à

Nhiệt
độ

max

,

-1

ngày

ks
(gN/m3)

5

0,18

0,13

10

0,29

0,23

15

0,47

0,40

20

0,77

0,73

25

1,25

1,30

Mối liên hệ giữa hằng số bán tốc độ và nhiệt độ tuân
theo định luật Arrhenius nh sau :
K s , Nitrosomonas = 0,405 *e0,118(T-15)
25