Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất nitơ trong nước thải của vi sing vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC KTCN TPHCM
KHOA: MÔI TRƯỜNG &
CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
------------------------------------------

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN: PHẠM THỊ HUỆ
MSSV: 207111016
NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
LỚP: 07CSH
1. Đầu đề khóa luận tốt nghiệp:
Tổng quan quá trình chuyển hóa các hợp chất Nito trong nước thải của vi sinh vật
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
Tổng quan quá trình chuyển hóa các hợp chất của Nito
Quá trình chuyển hóa Nito trong nước thải
Tìm hiểu về hệ thống xử lý nước thải chứa Nito bằng phương pháp sinh học
Ứng dụng vi sinh vật xử lý nước thải chứa Nito
3. Ngày giao khóa luận tốt nghiệp: 08/03/2010
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/07/2010
5. Họ tên người hướng dẫn: CN. Nguyễn Hoàng Mỹ
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn
Ngày…….tháng……… năm………
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN.
Người duyệt (chấm sơ bộ):......................................................................................
Đơn vị:....................................................................................................................
Ngày bảo vệ: ...........................................................................................................



LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình tiến hành làm khóa luận vừa qua, tôi gửi lời cảm ơn chân
thành và sâu sắc đến sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của GV Nguyễn Hoàng Mỹ
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới Khoa Môi Trường & CNSH – Trường đại
học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp HCM, đã tận tình dạy dỗ và tạo mọi điều kiện cho tôi
hoàn thành khóa học và thực hiện luận văn này.
Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè
đã tạo điều kiện động viên giúp đỡ tôi cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể
hoàn thành bản khóa luận này.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 06 năm 2010
Phạm Thị Huệ


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN
HÓA HỢP CHẤT CỦA NITƠ
Trang
1.1 Nitơ và các hợp chất của Nitơ.......................................................................... 2
1.2 Quá trình chuyển hóa các hợp chất của Nitơ.................................................... 3
1.2.1 Chu trình sinh địa hóa................................................................................. 3

1.2.2 Quá trình amon hóa .................................................................................... 6
1.2.2.1 Amon hóa ure............................................................................................ 6
1.2.2.2 Amon hóa protein...................................................................................... 6
1.2.3 Quá trình Nitrate hóa .................................................................................. 7
1.2.3.1 Giai đọan Nitrite hóa ................................................................................. 8
1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hóa ................................................................................. 8
1.2.4 Quá trình phản Nitrate ................................................................................ 8
1.2.5

Quá trình cố định Nitơ............................................................................... 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN
HÓA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI
2.1 Quá trình chuyển hóa nitơ trong môi trường nước ......................................... 12
2.2 Đặc điểm các loại nước thải chứa nitơ ........................................................... 15
2.2.1 Nguồn nước thải sinh hoạt.......................................................................... 15
2.2.2 Nguồn nước thải công nghiệp ..................................................................... 16
2.2.3 Nguồn nước thải nông nghiệp – chăn nuôi ................................................. 17
2.3 Quá trình tự làm sạch của nguồn nước........................................................... 18
2.4 Quá trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật trong nước thải ....................... 20
2.5 Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải..................................................... 22
2.6 Hệ vi sinh vật trong nước thải........................................................................ 24


2.6.1 Vi khuẩn..................................................................................................... 24
2.6.2 Nấm men.................................................................................................... 25
2.6.3 Tảo đơn bào................................................................................................ 25
2.6.4 Những vi sinh vật khác............................................................................... 25

CHƯƠNG 3: MÔT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC

THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
3.1 Phương pháp sinh học xử lý nước thải........................................................... 27
3.1.1 Nguyên tắc ................................................................................................. 27
3.1.2 Các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong quá trình xử lý nước thải ........ 27
3.1.2.1 Hệ thống hiếu khí .................................................................................... 27
3.1.2.2 Hệ thống kỵ khí ....................................................................................... 28
3.1.3 Điều kiện áp dụng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học .................. 29
3.2 Một số nguyên tắc trong xử lý hợp chất chứa nitơ ......................................... 29
3.2.1 Quá trình oxy hóa ammoniac...................................................................... 29
3.2.2 Quá trình khử nitrate .................................................................................. 30
3.3 Một số hệ thống xử lý nước thải chứa nitơ bằng phương pháp sinh học......... 31
3.3.1 Các hệ thống hiếu khí ................................................................................. 31
3.3.1.1 Bùn hoạt tính ........................................................................................... 31
3.3.1.2 Lọc sinh học ............................................................................................ 32
3.3.2 Các hệ thống kỵ khí.................................................................................... 33
3.3.2.1 Lọc sinh học kỵ khí hai giai đoạn ............................................................ 34
3.3.2.2 Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược – UASB ................................................ 34
3.3.2.3 Lọc kỵ khí bám dính cố định ................................................................... 34
3.3.2.4 Bể phản ứng kỵ khí đệm giãn nỡ - FBR, EBR ......................................... 35
3.4 Các phương pháp loại bỏ nitơ bằng phương pháp sinh học hiện nay.............. 35
3.4.1 Loại bỏ Nitrate bằng bùn hoạt tính ............................................................. 36
3.4.2 Khử Nitrate bằng sinh trưởng ở thể huyền phù ........................................... 36
3.4.3 Loại bỏ Nitrate bằng màng sinh học ........................................................... 37
3.4.4 SBR............................................................................................................ 37
3.4.5 Quá trình Bardenpho .................................................................................. 37


CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VI SINH VẬTCÓ KHẢ
NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ
4.1 Chế phẩm sinh học xử lý nước thải có hàm lượng Nitơ cao ........................... 39

4.1.1 Các chế phẩm sinh học xử lý nước thải chứa Nitơ trên thị trường............... 39
4.1.1.1 Men vi sinh JUMBO ............................................................................... 39
4.1.1.2 Chế phẩm sinh học EMIC........................................................................ 40
4.1.1.3 Chế phẩm AQUAPOND.......................................................................... 41
4.2 Một số quy trình xử lý nước thải đặc trưng.................................................... 42
4.2.1 Quá trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo .................................... 42
4.2.2 Quá trình công nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột ................................ 43

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 Kết luận......................................................................................................... 45
5.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày gia tăng và đang được sự
quan tâm của nhiều nghành, nhất là đối với việc ô nhiễm do nước thải. Đối với nhiều
nước thải có hàm lượng các chất dinh dưỡng (N,P) trung bình và cao, việc xử lý loại
ra các thành phần này trước khi xả là một nhu cầu quan trọng, nhằm hạn chế sự ô
nhiễm nước ngầm, nước mặt.
Một trong các dạng hợp chất gây nên sự ô nhiễm của nước phải nói đến các
hợp chất hữu cơ chứa itơ. Nếu như hàm lượng Nitơ có trong nước xả thải ra sông, hồ
quá mức sẽ gây ra một hiện tượng ô nhiễm, điển hình là hiện tượng phú dưỡng hóa
kích thích sự phát triển nhanh của rong, rêu, tảp làm bẩn nguồn nước.
Việc áp dụng các phương pháp sinh học để xử lý nước thải hiện nay đang là
vấn đề cần được chú ý và phát triển, đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là

vi khuẩn để phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tạo ra sản phẩm có
lợi như carbonic, nước và các chất vô cơ khác.

1

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA HỢP
CHẤT CỦA NITƠ
1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ
Nitơ là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố có ký hiệu
N và số nguyên tử bằng 7. Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu,
không mùi, không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ, còn gọi là đạm khí.
Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống.
Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các axit amin, axit nucleic, ammoniac, axit
nitrite, cyanua…
Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị
chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ
một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn. Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là
đặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ được chuyển
hóa thành amomniac. Ammoniac có thể được sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân
bón, hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác.
Các muối của acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như hay
diêm tiêu, thuốc súng và nitrate amoni. Các hợp chất nitrate hữu cơ khác, như TNT.

Acid nitrite được sử dụng làm chất oxi hóa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng.
Ammoniac là một hợp chất quan trọng giữa N và H. Ammoniac có tính bazơ, trong
dung dịch thì nó tạo ra các cation amoni (NH4+). Các khác có cấu trúc tương tự là
dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) và nitơ dioxit (NO2). Các oxit tiêu chuẩn
hơn là dinitơ trioxit (N2O3) và dinitơ pentoxit (N2O5), trên thực tế là tương đối không
ổn định và là các chất nổ. Các axit tương ứng là acid nitrơ (HNO2) và acid nitrite
(HNO3), với các muối tương ứng được gọi là nitrite và nitrate. Acid nitrite là một
trong ít các axit mạnh hơn hydroni.

2

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Bảng 1.1 Trạng thái hóa trị của hợp chất nitơ trong hợp chất hóa học.

Hợp chất

Hóa trị

Công thức hóa học

Amoni/ ammoniac

-3

NH4+/ NH3

Khí Nitơ

0

N2

Dinitơ oxit

+1

N2O

Nitơ oxit

+2

NO

Nitrite

+3

NO2-

Dinitơ trioxit

+3

N2O3

Nitơ dioxit

+4

NO2

Nitrate

+5

NO3-

Dinitơ pentoxit

+5

N2O5

1.2 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ
1.2.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ
Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học tham gia và chuyển
hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là chuyển hóa giữa các dạng hợp chất
vô cơ và hữu cơ chứa nitơ.

3

SVTH Phạm Thị Huệ

Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hồng Mỹ

Nitơ khí
quyển

Núi
lửa

Tia

mưa

Năng lượng
tỏa ra từ
công nghiệp

Phân
bón
urê

Vi khuẩn
cố đònh N
trong rể
cây

Vi khuẩn
cố đònh

trong đất

Đồng
hóa

Xác
động
thực

Nhiên
liệu hóa
thạch
Khử
nitrat

Phân hủy
(vi khuẩn,
nấm)
Amon hóa

Họat động con
người
Họat động tự

Hình 1.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ

4

SVTH Phạm Thị Huệ

Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Hợp chất nitơ vô cơ đơn giản và đầu tiên hết là nitơ tự do trong không khí.
Nitơ vô cơ này chuyển hóa thành nitơ hữu cơ nhờ quá trình cố định nitơ của vi sinh
vật, thực vật. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm
hữu cơ như protein, acid amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tồn
tại trong đất. Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật hoại sinh thực hiện quá trình amon
hóa phân giải thành các acid amin. Các acid amin này lại được một nhóm vi sinh vật
phân giải thành ammoniac. Ammoniac tiếp tục được chuyển hóa thành các hợp chất
của nitrite, nitrate nhờ nhóm vi sinh vật nitrate hóa. Dạng nitrate được chuyển hóa
thành nitơ phân tử nhờ quá trình phản nitrate hóa trả lại nitơ tự do cho khí quyển.
Như vậy, vòng tuần hoàn nitơ được khép kín. Trong hầu hết các giai đoạn
chuyển hóa của vòng tuần hoàn đều có sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau.
Nếu sự hoạt động của nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần
hoàn sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng.
Hợp chất nitơ
(protein, urea…)

Vi sinh vật thủy phân
Tạo sinh
khối

Ammoniac

Tế bào nitơ hữu cơ

Tế bào

thực
vật

Phân hủy nội bào
NO2Khử
nitrat

Khí Nitơ

NO-3
Chất hữu cơ Carbon
Hình 1.2 Chu trình nitơ

1.2.2 Quá trình amon hóa

5

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Quá trình amon hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ hữu cơ như acid amin,
protein, ure … thành nitơ vô cơ, CO2 và nước. Quá trình amon hóa bao gồm 2 quá
trình.
1.2.2.1 Amon hóa ure
Ure có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22%
nước tiểu. Trong công thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nitơ, vì thế nó là nguồn dinh

dưỡng đạm tốt với cây trồng.
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, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonat
amoni. Sau đó, carbonat amoni được chuyển hóa thành NH3, CO2 và H2O bằng một
phản ứng hóa học thông thường.
CO(NH2)2 +

2H2O



(NH4) 2 CO3 (giai đọan 1)

(NH4) 2 CO3  2NH3 + CO2

+ H2O (giai đoạn 2)

Một số loài vi sinh vật tiết enzyme urease có hoạt tính phân giải cao như Bacillus
amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae.... Đa số chúng thuộc nhóm
hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm. Bởi vậy
khi sử dụng ure làm phân bón người ta kết hợp với bón vôi, đồng thời xới xáo làm
thoáng đất.
1.2.2.2 Amon hóa protein
Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật. Khi sinh vật chết đi, protein
được tích lũy trong đất. Protein chứa 15 – 17% nitơ nhưng cây trồng không thể hấp
thụ trực tiếp protein mà phải thông qua quá trình amon hóa. 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. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin
nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đó được
phân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào. Một phần các axit amin được tế bào
vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các acid amin theo các

6

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

con đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác.
Với các protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhóm vi khuẩn
Hấplưu
thụhuỳnh
vào và
tế bào
các nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H2S, scatol, indol hay
mercaptan .
Protease
Protein

peptitdase
Oligopeptide,
Acid amin
polypeptide

NH3, NH4+
Khử acid
amin

Trong điều kiện hiếu khí, các acid amin bị vô cơ hóa tạo sản phẩm là
ammoniac, carbonic và nước. Trong điều kiện kỵ khí lại diễn ra quá trình khử amin
tạo nhiều loại hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi
khó chịu như indol và scatol. Khử amin có thể xảy ra theo một trong những phương
thức sau:
R – CH(NH2)COOH  R – CHCOOH + NH3
R – CH(NH2)COOH +H2O  R – CH2OH – COOH + CO2 + NH3
R – CH(NH2)COOH

+ ½ O2  R – CO – COOH + NH3

R – CH(NH2)COOH + O2  R – COOH + CO2 + NH3
R – CH(NH2)COOH

+H2O  R – CO – COOH +NH3 + 2H

Các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả năng phân hủy protein:
Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens
Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S. griseus
Vi nấm: Aspergillus oryzae, A. flavour, A. niger, Penicilium camemberti…
Vi sinh vật yếm khí :
Vi khuẩn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum
Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện :
Vi khuẩn Proteus vulgaris, Bacillus coli…
1.2.3 Quá trình Nitrate hóa

Sau quá trình amon hóa, NH3 được hình thành một phần được thực vật hấp thụ,
một phần kết hợp với các hợp chất trong đất tạo thành các muối amon với ion NH4+.

7

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Một phần muối amon cũng được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ, một phần được
oxy hóa thành nitrate. Quá trình nitrate hóa bao gồm 2 giai đoạn: nitrite hóa và
nitrate hóa
1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hóa
Là quá trình oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩn
nitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy
không khí và tạo ra năng lượng.
NH4+ + 3/2 O2  NO2- + H2O + 2H + Năng lượng
Năng lượng dùng để đồng hóa CO2 tạo ra carbon hữu cơ. Enzyme xúc tác cho quá
trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí. Nhóm vi sinh vật nitrite hóa
bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira
1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hóa.
NO2- tạo thành tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn nitrate.
Đây cũng là các vi khuẫn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxi hóa nitrite để
cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa Năng lượng CO2.
NO2- + ½ O2  NO3- +
Nhóm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira,
Nitrococcus. Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng nói trên, trong đất còn có một

số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hóa. Đó là loài vi khuẩn
và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces...
1.2.4 Quá trình phản nitrate
Các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử thành nitơ phân tử. Quá
trình này gọi là quá trình phản nitrate hóa được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhờ
các vi sinh vật phản nitrate hóa. Khi đó, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trong
chuổi hô hấp kỵ khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào.
Nhóm vi khuẩn thực hiện quá trình phản nitrate hóa phân bố rộng rãi trong
đất. Thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng có Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas
agilis ...thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus
denitrificanas, Bacillus licheniformis...

8

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Trong các môi trường tự nhiên ngoài quá trình phản nitrate sinh học nói trên
còn có quá trình phản nitrate hóa học không có sự tham gia của vi sinh vật thường
xảy ra ở pH < 5.5.
1.2.5 Quá trình cố định Nitơ
Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử nitơ thành NH3 dưới tác
dụng enzyme của enzyme nitrogenase của vi sinh vật. Đây là quá trình quan trọng
nhất để chuyển hóa nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ.
Có 3 nhóm vi sinh vật có khả năng cố định nitơ: Nhóm cộng sinh với cây họ
đậu, nhóm sống tự do trong đất và nhóm tảo. Trong đó, góp phần quan trọng nhất là

nhóm Rhizobium sống cộng sinh với cây họ đậu. Cơ chế của quá trình cố định nitơ
cần enzyme nitrogenase của vi sinh vật, leghemoglobin của thực vật và năng lượng
tế bào.
Nitrogenase
N2 + 6e + 12ATP + 12H2O 

2NH4+ + 12ATP + 12P + 4H+

Nitrogenase bao gồm 2 thành phần khác nhau, một phần gồm protein và Fe,
một phần gồm protein, Fe, Mo. Electron của chất khử sẽ đi vào thàh phần thứ nhất
của nitrogenase (phần chứa protein và Fe) sau đó được chuyển sang thành phần thứ
hai, qua đó electronic được hoạt hóa có thể phản ứng với nitơ . Nitơ cũng đi qua hai
thành phần của nitrogenase và được hoạt hóa. Hydro được hoạt hóa nhờ các enzyme
của hệ thống hydrogenase.
Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào. Cuối cùng NH3 được
hình thành. NH3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kiềm hãm sự họat động
của Nitrogenase, nó chính là yếu tố điều hòa hoạt tính của enzyme.
Như vậy, có thể tóm tắt quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ trong tự nhiên
như sau:

Vi khuẩn nitrate hóa
9

SVTH Phạm Thị Huệ


Khúa Lun Tt Nghip

GVHD Nguyn Hong M

nitrosomona
s
NH3

Phõn hy
Protein

nitrobacter
NO2-

NO3-

Vi khun phn nitrate húa
NO3-

NO3-

NO

N2O

N2

N2
Quaự trỡnh quang e
hụùp cuỷa caõy

e

Leghemoglobin

ATP
Nitrogenaza

NH3

Bng 1.2 Túm tt cỏc quỏ trỡnh chuyn húa nit trong t nhiờn
Quỏ trỡnh

C cht

Sn phm

Amon húa

Hp cht nit

Nit vụ c, CO2

10

Vi sinh vt tham gia
Bacillus mycoides,

SVTH Phm Th Hu


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

hữu cơ

và nước

B.

mesentericus,

B.subtilis,Clostridi

um

sporogenes,

Clostridium
putrificum ...

Nitrosomonas,
Nitrozocystis,
Nitrate hóa

NO3-

NH3

Nitrozolobus,
Nitrosospira,
Nitrobacter,
Nitrospira,...
Pseudomonas

denitrificans,
Micrococcus
denitrificanas,

Phản nitrate hóa

NO3

-

N2

Bacillus
licheniformis,
Thiobacillus
denitrificans...

Cố định N

Nitơ

NH3

Rhizobium..

CHƯƠNG 2

11

SVTH Phạm Thị Huệ

Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ
TRONG NƯỚC THẢI
2.1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
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 NH3, NH4+,
NO2-, NO3-.
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 hợp chất Albumine dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ biến thành
dạng đạm ammoniac (NH3) và ammoniac sẽ hòa tan vào nước hình thành NH4+. Sau
đó, NH3 và ion NH4+ sẽ biến thành dạng đạm nitrite(NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt
động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa. Thực vật có thể hấp thu nhiều dạng đạm nói
trên nhưng hấp thu NH4+ và NO3- là tốt nhất, mỗi loài thực vật ưa một dạng đạm
khác nhau. 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 NO3- 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.

12

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Sông, suối, nước mưa, nước thải
có chứa Nitrate và Ammoniac
Cố định đạm
NO2

NO3

N2O

N2
Vi khuẩn
+

Sinh trưởng

Thực vật phù du
Sinh trưởng

NO2

Nitrate hóa

Động vật phù du
Bài tiết

Cá

N2O
NH4
Detritus
yếm khí

Bùn đáy
Hình 2.1 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 acid amin không được
vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ
khác như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khó chịu cho thủy 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 NH3 luôn luôn được phục hồi,
cung cấp cho thực vật thủy sinh. Có nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào

13

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

quá trình này, chủ yếu là các loài Bacillus như: B. mesentericus, B.mycoide, B.
sustilis,…Số lượng của chúng trong thủy vực khác nhau thì rất khác nhau, thường
trong các thủy vật nước ngọt số lượng của chúng nhiều thủy vực nước măn và nước
lợ.
Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa trong môi trường nước đi cùng quá
trình đồng hóa CO2 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. Số lượng của chúng trong
thủy vực dao động theo mùa. Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra khi có mặt của oxy (kể
cả nồng độ thấp), nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi trường yếm
khí với sự có mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình
nitrate hóa đó là quá trình phản nitrate hóa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite
thành NO, N2O), NH2OH, NH3 và N2.
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 ví nó làm mất Nitơ trong thủy vật
và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Trong đa số sinh
cảnh, vi sinh vật 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 A. Agile và A.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 các loài Clostridium như Clostridium pateurianum. Gần
đây, người ta đã xác định ngoài các loài Azotobacter và Clostridium thì còn có các
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, ở chúng thì sự gắn kết Nitơ có hiệu quả

14

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hóa một lượng nitơ
đánh 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.
2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ
2.2.1 Nước thải sinh hoạt
Nguồn nước thải sinh họat gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt cá,
nước từ nhà hàng, khách sạn….chiếm 52% chất hữu cơ, 48% các chất vô cơ. Chúng
được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất
ammoniac, protein, peptid, acid amin cũng các thành phần khác trong chất thải rắn
và lỏng. Ngoài ra nước thải sinh hoạt có chứa một lượng các thành phần dinh dưỡng
khác rất cao. Nhiều trường hợp, lượng chất dinh dưỡng này quá cao vượt quá nhu
cầu phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học. Trong các công trình xử
lý nước thải theo phương pháp sinh học, lượng dinh dưỡng cần thiết trung bình tính
theo tỷ lệ BOD5 : N: P là 100: 5: 1.

Bảng 2.1 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt.
Hệ số tải lượng

Tải lượng ô nhiễm

(g/người.ngày)

(kg/ngày)

Chất rắn lơ lủng

70 - 145

89 – 184,5

Amoni (N – NH4)

2,4 – 4,8

3,1 – 6,2

BOD5 của nước đã lắng

45 - 54

57,2 – 68,7

Nitô tổng

6 - 12

7,6 – 15,2

Tổng photpho

0,8 – 4,0

1,02 – 5,1

COD

72 – 102

91,6 – 127,7

Dầu mỡ

10 - 30

12,7 – 38,1

Chỉ tiêu ô nhiễm

Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO
Nước thải sinh hoạt chứa hàm lương các chất cặn bã, các chất rắn lơ lửng
(SS), các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng (N,P). Nồng độ
các chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat như sau:

15

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Bảng 2.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt
Chỉ tiêu ô nhiễm

Nồng độ ô nhiễm (mg/m3)

Chất rắn lơ lửng

730 – 1510

Amoni (N – NH4)

25 – 1510

BOD5

469 – 563

Nitô tổng

63 – 125

Tổng photpho

8 – 42

COD

570 - 1063

Dầu mỡ

104 - 313

Nguồn: Hoàng Huệ – Xử lý nước thải
2.2.2 Nước thải công nghiệp
Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tớ chế
biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành đặc biệt như chế biến mủ
cao su, chế biến tơ tằm, thuộc gia… Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kể
hợp chất chứa nitơ, liên quan đến thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản,
giết mổ và sản xuất thức ăn từ các lọai thịt, sữa, đậu…Hợp chất chứa nitơ được thải
ra lượng lớn từ các thành phần như máu, mỡ, phân cùng các mẫu thịt hòa tan vào
nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ trong môi
trường và lọai sản phẩm chế biến.
Nồng độ hợp chất chứa nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến đổi rất
mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà còn cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở
chế biến thực phẩm xuất đồng thời nhiều lọai sản phẩm.

Bảng 2.3 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp
Nguồn

Nồng độ Nitơ tổng (mg/l )

Giết mổ

115

16

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Chế biến thịt

6

Chế biến thủy sản
Cá da trơn

33 (28 – 50)

Cua

94 (58 – 138)

Tôm

215 (164 – 266)

Cá

30

Chế biến rau, quả, đồ uống

4

Bột, sản phẩm khoai tây

21 ( 5 – 40)

Rượu vang

40 (10 – 50)

Hóa chất, phân bón
NH3 – N

1270

NO3 – N

550

Nguồn: H. R. Jones. Pollution control in the dairy industry. London
2.2.3 Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi
Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm cho cây. Trong rất
nhiều trường hợp người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng
lượng hợp chất chứa nitơ trong đó để làm phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng
phân bón cây trồng không hấp thụ hoàn toàn mà một phần sẽ bị phân hủy, rửa trôi

vào môi trường nước. Trong môi trường nước urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành
ammoniac và khí carbonic.
H2O 

CO(NH2)2 +

CO2 +

2NH3

Nguồn nước thải phát sinh trong chăn nuôi có lưu lượng nhỏ hơn so với nước
thải sinh họat, 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, bùn đất, thức ăn thừa,
các hợp chất chứa nitơ được thoát ra ngoài từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nước
thải chuồng trại của các lòai nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành
phần dinh dưỡng trong phân khác nhau.

Bảng 2.4. Thành phần nitơ trong phân một số loài động vật.
Phân loài nuôi

Độ ẩm%

17

N%

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

Bò thịt

85

0,5

Bò sữa

85

0,7

Gia cầm

72

1,2

Lợn

82

0,5

Dê, Cừu

77

1,4

Nguồn: Treatment management. Kluver Academic Press
2.3 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC
Giới thuỷ sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh
động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao,
như tôm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng
trong nước, mức độ oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính…sẽ ảnh hưởng đến đời
sống của giới này có trong nước. Nói chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trước
hết sẽ không còn oxi hoà tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống của
giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ
được cân bằng trở lại. Đó là quá trình tự làm sạch của nước.
Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học, tự
làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ
nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự
làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đó vi sinh vật
đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm ba giai
đoạn .
 Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật.
 Khuếch tán và hấp thu các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế
bào vi sinh vật
 Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các
vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật.
Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ và cần vai trò rất quan trọng của giới
thủy sinh.
- Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng
có khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên, các chất đường bột,
protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷ

18

SVTH Phạm Thị Huệ


Khóa Luận Tốt Nghiệp

GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ

muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hoá học tổng hợp bị phân huỷ chậm và rất chậm (có
khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm). Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chất
béo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn. Bản thân tế
bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật.
Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng
cho tảo và các loài thực vật nổi khác.
- Tảo và các loài thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có CO2
cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân
tử này làm giàu oxi hoà tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển
và được sử dụng vào các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các
chất hữu cơ. Thực vật phù du, trong đó có tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh và
tôm cá nhỏ.
- Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v…cũng
tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vi
khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi.
- Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân
huỷ các chất hữu cơ. Chúng có thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho
nước trong. Chúng làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước.
- Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du. Cá lớn lại ăn cá bé. Người ăn cá và
chất thải của người có thể lại làm bẩn nước.
Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình có giới hạn, khi số lượng vi sinh vật

tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ,
nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường. Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ô nhiễm
nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi toàn
bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm
lượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong môi
trường nước. Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự
làm sạch. Nước dần bị ô nhiễm nặng. Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý nước thải ô
nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước
2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG
NƯỚC THẢI

19

SVTH Phạm Thị Huệ