Nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn anammox trong xử lý nước thải nuôi heo (tt)

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Ngành chăn nuôi nói chung, trong đó chăn nuôi heo, đang phát
triển theo hướng sản xuất công nghiệp. Khối lượng chất thải sinh ra
(chất thải rắn và lỏng) tạo ra là vô cùng lớn. Quản lý được nguồn
chất thải này nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường sẽ góp phần không
nhỏ làm cho ngành sản xuất này trở nên phát triển bền vững.
Đặc điểm của nước thải chăn nuôi heo là giàu chất hữu cơ dễ phân
hủy sinh học, giàu nitơ và giàu photpho, có mùi hôi đặc trưng. Nhưng
thường trong quá trình xử lý chỉ quan tâm đến COD, SS…, do đó sau
quá trình còn lại nồng độ N-NH4 rất cao là yếu tố gây ô nhiễm môi
trường.
Vì vậy việc tìm kiếmđđược một công nghệ thích hợp để xử lý nitơ
trong nước thải nuôi heo trong hoàn cảnh hiện nay cũng như trong
tương lai là một việc làm hết sức cần thiết.
Năm 1995 đã phát hiện ra được một phản ứng chuyển hóa nitơ
mới đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anammox). Quá
trình Anammox đã được ứng dụng thành công đối với nước thải sinh
hoạt đô thò và nước thải công nghiệp thuộc da ở Hà Lan. Đến nay ở
Việt Nam chưa có công bố chính thức nào trên các tạp chí chuyên
ngành liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm về Anammox.
2. Mục tiêu của luận án
Từ những vấn đề nêu trên, đề tài ”Nghiên cứu ứng dụng nhóm vi
khuẩn Anammox trong xử lý nước thải nuôi heo” được thực hiện
nhằm đạt được hai mục tiêu chính như sau:
- Nghiên cứu về môi trường thích hợp để làm giàu nhóm vi khuẩn
Anammox từ bùn ở bể UASB của hệ xử lý nước thải nuôi heo.
- Nghiên cứu xác lập công nghệ hợp lý cho xử lý nitơ khi sử dụng vi
khuẩn Anammox của nước thải nuôi heo.
3. Nội dung luận án
* Nghiên cứu sự tích lũy-làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn

kỵ khí (UASB) của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo trong các
môi trường khác nhau và đònh danh vi khuẩn làm giàu bằng phương
pháp sinh học phân tử.
1


* Có được vi khuẩn Anammox và ứng dụng trong thí nghiệm
* Nghiên cứu một số yếu tố như: HRT, COD/tổng N và tải lượng
nitơ, ảnh hưởng đến qui trình xử lý ammonium của nước thải chăn
nuôi heo bởi nhóm vi khuẩn Anammox làm giàu được.
* Thực nghiệm sử dụng vi khuẩn Anammox làm giàu xử lý N-NH4
của nước thải nuôi heo với mô hình 10 lít/ngày và pilot 500lít/ngày.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, đã sử dụng các
phương pháp nghiên cứu sau đây:
ƒ Điều tra khảo sát, thu thập và phân tích các số liệu về đặc trưng
hóa lý sinh học của nước thải chăn nuôi heo ở một số trại nuôi heo
tại thành phố Hồ Chí Minh và Bình Dương.
ƒ Tổng quan tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ
xử lý nitơ trong nước thải, thiết bò xử lý và các yếu tố ảnh hưởng
đến quá trình xử lý ammonium bởi nhóm vi khuẩn Anammox.
ƒ Thiết lập mô hình và thực nghiệm làm giàu vi khuẩn Anammox từ
bùn lấy ở bể UASB trong hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo
với các môi trường khác nhau.
ƒ Thiết lập thí nghiệm cho từng mô hình nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến phản ứng Anammox từ sinh khối Anammox vừa làm giàu.
ƒ Nhận dạng và đònh danh vi khuẩn Anammox bằng phương pháp
sinh học phân tử.
ƒ Thiết lập mô hình và thực nghiệm xử lý bằng quá trình nitrat hóa
“giới hạn” (nitrit hóa) và Anammox bằng việc sử dụng nhóm vi

khuẩn Anammox.với lưu lượng 10lít/ngày.
ƒ Trên cơ sở kết quả thí nghiệm thu được thiết lập và thực hiện các
thí nghiệm ứng dụng vi khuẩn Anammox và Nitrosomonas xử lý
ammonium ở qui mô pilot 500lít/ngày.
ƒ Tính toán và xử lý số liệu phân tích.
5. Cấu trúc : Luận án gồm 4 chương và kết luận kiến nghò.
6. Ý nghóa khoa học và thực tiễn
Đề tài được thực hiện đầu tiên ở Việt Nam về nghiên cứu môi
trường làm giàu và ứng dụng nhóm vi khuẩn Anammox trên đối
tượng là nước thải nuôi heo. Về mặt khoa học vì thế giúp cho các
2


nghiên cứu tiếp theo có cơ sở để chọn một môi trường thích hợp cho
từng loại bùn, khi làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox với thời
gian ngắn. Đồng thời ứng dụng công nghệ sinh học mới với việc sử
dụng vi khuẩn Anammox trong xử lý nước thải có nồng độ
ammonium cao.
Các số liệu phân tích thu được trong quá trình vận hành mô hình
thí nghiệm và pilot được tiến hành tại Viện Sinh Học Nhiệt Đới và ở
Xí nghiệp lợn giống Đông Á (huyện Dó An – tỉnh Bình Dương).
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHĂN NUÔI HEO

1.1.1 Giới thiệu về chất thải chăn nuôi heo
Mặc dù nước thải nuôi heo gây ô nhiễm môi trường như vậy,
nhưng hầu hết các cơ sở chăn nuôi lớn nhỏ hiện nay đều chưa có hệ
thống xử lý thích hợp và nếu có thì hoạt động không thường xuyên,
hiệu quả xử lý thấp. Nguyên nhân của vấn đề trên một phần do các

nhà quản lý ở các xí nghiệp chăn nuôi chưa coi việc xử lý chất thải
là thật sự cần thiết.
1.1.2 Nước thải chăn nuôi heo
* Đặc điểm và thành phần của nước thải nuôi heo
Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải nuôi heo dao
động đáng kể tùy thuộc khối lượng nước dùng vệ sinh chuồng trại.
Bảng 1. Thành phần nước thải chăn nuôi heo ở một số nước
Quốc gia
Việt Nam
Việt Nam
Úùc
Ý
Singapore
Thái Lan
Nhật
Hàn Quốc

BOD5
mg/l
700-2100
1664-3268
70006.700
-

COD
mg/l
1000-3000
2561-5028
2106-6000
4600

6450
9000-20000
3.300-5.500

TS
g/l
-

SS
N-NH4 pH
mg/l
mg/l
300
865 6,5-7,7
1700-3218 304-4717,2 - 8,1
391-669
2,13
435
6,65
1,6-3,3
7.900
0,9-1,8
400-600
-

T-P
mg/l
14-62
45-90

* Xử lý nước thải nuôi heo bằng phương pháp sinh học
Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo, tuy nhiên
mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm nhất đònh:
3


- Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên: Chủ yếu
vào khả năng tự làm sạch sinh học của môi trường đất và thủy vực
- Một số phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo:
Bể Aerotank; Bể lọc kỵ khí; Bể UASB; Bể Biogas.
1.1.3 Một số qui trình xử lý nước thải chăn nuôi heo
- Qui trình thứ nhất là sử dụng các thiết bò xử lý kỵ khí tốc độ thấp
như bể lên men tạo khí biogas. Phương pháp này áp dụng xử lý nước
thải chăn nuôi heo trong hộ gia đình.
- Qui trình thứ hai là xây dựng quy trình công nghệ và thiết bò
tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ nhằm áp dụng trong các xí nghiệp
nuôi heo mang tính chất công nghiệp có qui trình như sau: Xử lý cơ
học (lắng tách chất rắn), xử lý sinh học (bắt đầu bằng sinh học kỵ
khí UASB, tiếp theo là sinh học hiếu khí hoặc hồ thực vật thủy
sinh), khử trùng nước trước khi xả thải ra môi trường.
- Đã thiết lập được hệ thống xử lý nước thải nuôi heo công suất
150 m3/ngày, tại Xí nghiệp lợn giống Đông Á: Hệ thống hoạt động,
liên tục 18 tháng và đạt được sự ổn đònh cao. Nước thải sau xử lý đạt
được các chỉ tiêu về môi trường như sau: COD = 82,4 mg/l, BOD5 =
43,9mg/l, N-NH4 = 8,4mg/l; SS= 47,3mg/l, tổng P = 3,7mg/l. So với
TCVN 5945-1995 (cột B) thì hàm lượng N-NH4 chưa đạt. Vì vậy, cần
có giải pháp khắc phục.

Nguồn tiếp nhận

Khí biogas

Cấp khí

Các bể điều hòa
tách phân

Các bể kỵ khí
(UASB)

Các bể
hiếu khí

Hồ thực vật thuỷ sinh

Bể lắng

Hình 1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Xí nghiệp lợn giống Đông Á

- Hoạt động của hệ pilot xử lý nước thải nuôi heo công suất 30
m3/ngày, đặt tại Xí nghiệp chăn nuôi heo Gò Sao - Quận 12 Tp.HCM, đạt được kết quả xử lý như sau: hiệu quả loại COD 96,7%;
BOD5 97,4%; N-NH4 99,4%; và SS 97,9%.
4

Bùn hoàn lưu

Nước thải

Các ô ủ Compost

* Edgerton (Úc) cho rằng chiến lược giải quyết nước thải chăn
nuôi heo là sử dụng kỹ thuật SBR, làm giảm mùi hôi và N-NH4 giảm
trên 99%, COD giảm 79% và P-PO4 giảm 49%.
* Tilche Công nghệ SBR mà tác giả đề nghò có thể giảm 98%
COD, nitơ và phospho (COD từ 28.760 mg/l xuống 336 mg/l, tổng N
từ 2.153 mg/l xuống 30,3 mg/l, tổng P từ 450 mg/l xuống 8,75 mg/l)
* Khi nghiên cứu quá trình xử lý nước thải nuôi heo. Karakashes
và cộng sự (The future of Biogas in Europe – III, 14 -16 june 2007)
cho thấy hiệu quả xử lý đạt COD 90-95 %, N-NH4 80-90%, TSS 98%
và phospho khoảng 96 %.
Tóm lại: Ở nước ta đã tiến hành khá nhiều thực nghiệm nhằm tìm
ra công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo. Nhiều kết quả đã được
nghiên cứu triển khai áp dụng tại các trang trại chăn nuôi heo. Tuy
nhiên khi nghiên cứu triển khai ứng dụng đa số chỉ quan tâm đến kết
quả khử COD, BOD5, SS, mà ít quan tâm đến xử lý thành phần nitơ
và photpho trong nước thải chăn nuôi heo, trong khi đó nó lại là
nguyên nhân sâu xa gây nên sự hủy hoại sinh thái môi trường thủy
vực và ô nhiễm nguồn nước, kể cả nước sinh hoạt.
1.2 TỔNG QUAN VỀ NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX
1.2.1 Giới thiệu: Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa
từng được biết trước đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm đã được phát
hiện. Đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium (Anaerobic
Ammonium Oxdation – Anammox). Trong đó ammonium được oxi
hóa bởi nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu
cơ, để tạo thành nitơ phân tử. Trên bình diện lý thuyết, chu trình nitơ
trong tự nhiên đã được bổ sung thêm một mắt xích mới, còn công
nghệ, đã có nhà máy xử lý nitơ phi truyền thống được vận hành tại
Hà Lan, Đức, Áo.
Mục tiêu của luận án này là tổng quan một cách hệ thống sự phát

hiện, phát triển, các vấn đề hóa sinh và vi sinh học cũng như những
ứng dụng của phản ứng Anammox nói chung, làm cơ sở nghiên cứu
về các loại môi trường làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox và khả
năng, ứng dụng chúng vào hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo.
5


1.2.2 Sự phát hiện phản ứng Anammox
Thật ra, phản ứng Anammox đã được dự báo từ trước khi phát hiện
ra nó. Trên cơ sở tính toán nhiệt động học, Broda, 1977 đã dự báo về
sự tồn tại của các vi khuẩn hóa tự dưỡng có khả năng oxy hóa
ammonium bởi nitrat, nitrit và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ
xảy ra hơn sự oxy hóa bởi oxy phân tử:
NH4+ + NO25 NH4+ + 3 NO3NH4+ + 1.5 O2

 N2 + 2 H2O
G0 = -357 Kj/mol
 4 N2 + 9 H2O + 2 H+ G0 = -297 Kj/mol
 NO2- + 2 H+ + H2O G0 = -275 KJ/mol

(1.1)
(1.2)
(1.3)

Mãi 17 năm sau phản ứng Anammox lần đầu tiên được phát hiện
tại bể lắng tiếp sau bể khử nitrat trong hệ xử lý và tại bể phân hủy
bùn ở Gist-brocades (Delft, Hà Lan).
1.2.3 Hóa sinh học của quá trình Anammox
1.2.3.1 Phương trình phản ứng
Như đã nói ở trên, phản ứng Anammox là quá trình oxy hóa

ammonium bởi nitrit bằng một cơ chế phương trình phản ứng sau:
NH4+ + 1,32 NO2- + 0,066 HCO3- + 0.13 H+  1,02 N2 + 0,26 NO3+2,03 H2O + 0,066 CH2O0.5N0.15(Anammox) (1.4)

1.2.3.2 Cơ chế hóa sinh
Dựa vào kết quả khảo sát bằng việc sử dụng phương pháp đồng vò
15
N đã đề xuất được cơ chế hóa sinh quá trình Anammox.
Hình 2. Cơ chế sinh hóa của quá trình Anammox
NR : enzyme khử nitrit (sản phẩm giả thiết là
NH2OH).
HH: hydrazine hydrolase
HZO: enzyme oxy hóa hydrazine

Một điểm khá thú vò liên quan đến enzym HZO của vi khuẩn
Anammox là có cấu trúc tương tự HAO ở vi khuẩn Nitrosomonas. Vì
nhân của các haem này là ion sắt (FeII và FeIII), nên vi khuẩn
Anammox có màu đỏ đặc trưng khi quần tụ ở mật độ lớn. Xuất hiện
màu đỏ trong bùn hoạt tính là chỉ thò tốt về sự hiện diện của vi khuẩn
Anammox. Các nghiên cứu về nhóm vi khuẩn Anammox cho thấy
phản ứng kết hợp ammonium với hydroxylamine và oxy hóa
hydrazine xảy ra bên trong một “thể” gọi là Anammoxosome.
6


Anammoxosome nằm trong tế bào chất, bao bọc bởi màng lipid
ladderane, và có thể tách nguyên vẹn từ tế bào Anammox.
Hình 3. Sơ đồ phân khoang tế bào Anammox
- Cell wall: thành tế bào,
- Intracytoplasm: màng trong tế bào chất
- Cytoplasmic membrane: màng tế bào

- Nucleoid: thể nhân.

1.2.4 Vi sinh học quá trình Anammox
Đến nay đã có 3 chi vi khuẩn Anammox được phát hiện là
Brocadia, Kuenenia và Scalindua. Về mặt phân loại, các vi khuẩn
này là những thành viên mới và tạo thành nhánh sâu của ngành
Planctomycetes, bộ Planctomycetales.
B
A

Hình 4. Sơ đồ cây phát sinh loài của các
vi khuẩn Anammox
(A): Quan hệ với các chi khác thuộc bộ
Planctomycetales
(B): Quan hệ giữa các chi và dòng có hoạt tính
Anammox

1.2.5 Đặc điểm sinh lý và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
hoạt động của vi khuẩn Anammox
Nhóm vi khuẩn Anammox có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ
từ 20 đến 430C (tối ưu ở 400C), pH = 6.4 – 8.3 (tối ưu ở pH 8.0).
Bảng 2: Tóm tắt các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình
Anammox và đặt tính của nước thải nuôi heo sau bể UASB và AOB
Các yếu tố ảnh hưởng
Nhiệt độ (0C)
DO (mg/L)
pH
HCO3-/ N-NH4 (mol/mol)
COD/tổng N (g/g)
N-NO2 /N-NH4 (g/g)

F/M (g/g.ngày)
Nồng độ N-NH4 (mg/l)

Môi trường
tổng hợp nghiên cứu

25 - 35
<0,7
7,0 - 7,5
>1
0-5
0,9 -1,8
0,01-0,37
100 – 2.400

7

Đặt tính nước thải
sau UASB và AOB
24 -26
0
6,8 - 8,2
>1
<0,5
1 -1,2
0,03
290 – 420


1.2.6 Ưu và nhược điểm việc ứng dụng quá trình Anammox

* Ưu điểm: Có thể ứng dụng tốt trong xử lý các loại nước thải có
nồng độ N-NH4 cao; nhu cầu mặt bằng để lắp đặt thiết bò không lớn;
chi phí đầu tư và chi phí vận hành thấp hơn so với các phương pháp
khác; chòu được tải lượng thay đổi; thiết kế đơn giản; ít sinh ra bùn.
* Nhược điểm:Thời gian sinh trưởng chậm (khoảng11 ngày).
1.3 QUÁ TRÌNH LOẠI AMMONIUM TRONG NƯỚC THẢI
1.3.1 Ammonium trong nước thải
Hợp chất nitơ trong nước thải tồn tại chủ yếu ở dạng N-NH4/N-NH3
(tỉ lệ NH4/NH3 tồn tại phụ thuộc vào pH của dung dòch với pKa=9,25)
do quá trình thủy phân các hợp chất sinh học có chứa nitơ.
1.3.2 Loại N -NH4 bằng phương pháp hóa lý
1.3.3 Loại N -NH4 bằng phương pháp sinh học
* Loại nitơ bằng hồ thực vật thuỷ sinh
* Quá trình nitrat hóa – khử nitrat
- Quá trình nitrit hóa là rất cần thiết và quan trọng khi áp dụng
quá trình Anammox trong xử lý nước thải giàu ammonium. Quá
trình nitrit hóa ammonium bởi oxy trong môi trường bicacbonat
với nhóm vi khuẩn Ntrosomonas xảy ra như sau:
2NH4+ + O2
NH4+ + 1,5O2

= 2NH2OH +2H+ (sản phẩm trung gian)
= NO2- + H2O + 2H+ + 275 KJ

(1.5)
(1.6)

- Quá trình nitrat hóa xảy ra qua 2 giai đoạn theo phản ứng sau:
NO2- + 0,5 O2

=

NO3- + 75 KJ

(1.7)

- Quá trình khử nitrat là thường qua một số sản phẩm trung gian
NO2NO
0,5N2O
0,5N2
NO3Một hướng cải tiến khác nhắm vào sự thay đổi con đường chuyển
hóa nitơ. Ví dụ điển hình là loại nitơ bằng cách “đi tắt” sinh học
(SNBR), tức là khử nitrit (khử nitrit thành nitơ phân tử) thay cho khử
nitrat nhằm giảm bớt nhu cầu oxy để đưa nitrit trở về nitrat và nhu
cầu carbon hữu cơ để khử nitrat thành nitrit rồi thành khí N2. Hệ
thống SNBR cho phép giảm 25% nhu cầu oxy và khoảng 40% nhu
cầu carbon hữu cơ.
* Quá trình CANON; Quá trình OLAND; Quá trình SNAP
* Quá trình SHARON – ANAMMOX
8


1.3.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng Anammox trên thế giới:
Broda, 1977 đã dự báo về sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng oxy
hóa ammonium trong điều kiện kỵ khí, nhưng mãi đến năm 1995,
các nhà khoa học Hà Lan lần đầu tiên phát hiện được và từ đó đã
bùng nổ các nghiên cứu về tính chất sinh-hóa-lý, đònh danh và ứng
dụng trong xử lý nước thải có nồng độ ammonium cao.
1.3.5 Nghiên cứu phát triển và ứng dụng ANAMMOX ở Việt
Nam:

Nghiên cứu quá trình Anammox và các ứng dụng trong xử lý nước
thải giàu nitơ vẫn đang còn khá mới mẻ trên thế giới, vì vậy cũng là
vấn đề rất mới ở Việt Nam. Đến nay ở Việt Nam chưa có công bố
chính thức nào trên các tạp chí chuyên ngành liên quan đến kết quả
nghiên cứu thực nghiệm về Anammox, và cũng chưa có các bài giới
thiệu tổng quan lý thuyết.
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
- Bùn hoạt tính kỵ khí: Bùn được lấy từ bể UASB xử lý nước thải
nuôi heo tại Xí nghiệp lợn giống Đông Á (Dó An - Bình Dương), đặc
điểm của bùn có màu đen, hạt bùn rất mòn với nồng độ SS 6 -10 g/l.
Bùn gốc dùng để làm giàu sinh khối nhóm vi khuẩn Anammox.
- Môi trường I ”tổng hợp”thích nghi - làm giàu vi khuẩn Anammox
với nồng độ N- NH4 (10 đến 250 mg/l) và N- NO2 (10 đến 250 mg/l)
theo tỉ lệ (1:1)
- Môi trường II làm giàu vi khuẩn Anammox là nước thải chăn nuôi
heo Đông Á sau bể UASB bổ sung N-NO2 (NaNO2) vào để có tỉ lệ
N-NH4:N-NO2 =1:1±0,2
- Môi trường III làm giàu vi khuẩn Anammox, nước thải nuôi heo
Đông Á sau bể UASB, thực hiện quá trình nitrit hóa N-NH4 để có tỉ
lệ N-NH4:N-NO2 =1:1±0,2 theo phản ứng (1.3).
- Vi khuẩn Nitrosomonas - Anammox trong hệ mô hình thí nghiệm:
Trong quá trình Nitrit hóa được cấy 200g vi khuẩn Nitrosomonas
(1010-1011 tế bào/g) được cung cấp bởi Viện Sinh Học Nhiệt Đới.
Sinh khối Anammox sau khi làm giàu có nồng độ SS là 10g/l.
9


- Mô hình thí nghiệm và pilot được vận hành với lưu lượng 10lít/ngày
và 200-500 lít/ngày, là nước thải nuôi heo sau bể UASB của hệ

thống xử lý nước thải nuôi heo tại Xí nghiệp lợn giống Đông Á.
Bảng 3. Thành phần hóa lý nước thải nuôi heo Đông Á sau bể
UASB
Số TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Các chỉ tiêu
pH
COD
BOD5
DO
SS
N-NH4
P-PO4
N-NO2
N-NO3
Độ kiềm

Đơn vò
mg/l
mg/l

mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mmol/l

Nồng độ
6,8-8,2
150 ±50
80±30
0-0.2
70 ±50
290 - 424
32-60
0,2-2,5
0,5-1,5
10 - 15

Ghi chú

2.2 MÔ HÌNH VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
- Thiết bò mô hình thí nghiệm I và II làm giàu vi khuẩn Anammox
được thực hiện trên cột nhựa PE hình trụ thể tích 10 lít (Þ 100 mm và
H 1250 mm), lưu lượng nước 10 lít/ngày. Bơm đònh lượng: 7 - 20
lít/ngày; Bình khí N2 (tạo môi trường vào có DO < 0,2 mg/l); Thùng
chứa các loại <100 lít; Ống dẫn nước các loại.
- Thiết bò thí nghiệm III được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau:
+ Giai đoạn I: Nitrit hóa bởi vi khuẩn Nitrosomonas với việc cung

cấp oxy giới hạn được thực hiện trong một bể hình chữ nhật L 250
mm, D 80 mm và H 400 mm, dung tích làm việc 5 lít.
+ Giai đoạn II: Nước thải sau nitrit hóa đạt tỉ lệ nồng độ N-NH4:NNO2 =1:1±0,2 được bơm đònh lượng vào nhựa PE, vận hành 150
ngày, lưu lượng 10 lít/ngày có dung tích 10 lít (kích thước Þ 100 mm,
H 1250 mm) và thiết bò thu khí N2 sinh ra
- Thiết bò pilot: Thiết bò pilot xử lý ammonium trong nước thải chăn
nuôi heo được tính toán để thực hiện thí nghiệm qua 2 giai đoạn.
+ Giai đoạn I: Nitrit hóa ở cột 1 và 1’(2 x 60lít) (Þ 300 mm; H 900
mm) bằng sinh khối vi khuẩn Nitrosomonas.
10


+ Giai đoạn II: Nước thải sau nitrit hóa (có tỉ lệ nồng độ N-NH4 :
N-NO2 = 1:1±0,2) vào cột 2 có thể tích 180lít (Þ 540mm; H 800 mm)
đã được cấy sinh khối vi khuẩn Anammox ; lưu lượng 200-500
lít/ngày. Bơm đònh lượng 150-520 lít/ngày; Máy thổi khí 45- 60 lít
KK/phút.
2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Thành phần hóa học trong nước thải trước và sau xử lý như : NNH4, N-NO3, N-NO2, COD, DO, pH và P-PO4 được phân tích bằng
các phương pháp theo “Standard methods for the examination of
water and wastewater”.
2.6 ĐỊNH DANH NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX
Được thực hiện tại phòng thí nghiệm của GS. Kenji Furukawa,
Trường Đại học Kumamoto và GS. Takao FuJii, Trường Đại học
Sojo, Nhật, bằng kỹ thuật sinh học phân tử, nhận dạng được sự hiện
diện và đònh danh chủng vi khuẩn trong mẫu bùn VN-1 đã làm giàu.
Nguyên tắc: Từ mẫu bùn sinh khối Anammox thu được tiến hành
chiết xuất DNA và thực hiện phản ứng PCR đặc hiệu khuếch đại gen
16S rDNA, giải mã trình tự và so sánh độ tương đồng với ngân hàng
dữ liệu gen thế giới BLAST NCBI

2.7 TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU: bằng phương pháp thống kê
toán học và phần mềm Microsoft Office Excel, phiên bản 2003.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 THÍ NGHIỆM I: LÀM GIÀU, NHẬN DẠNG VI KHUẨN

ANAMMOX VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH OXY HÓA AMMONIUM

3.3.1 Giới thiệu: Vi khuẩn Anammox thường tồn tại trong môi
trường tự nhiên và trong các hệ thống xử lý nước thải có nồng độ
ammonium cao, việc làm giàu và nhân nuôi thường gặp nhiều khó
khăn do chúng sinh trưởng chậm. Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra môi
trường thích hợp cho quá trình làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox
trong bùn hoạt tính ở bể UASB của hệ xử lý nước thải chăn nuôi heo
11


trong thời gian ngắn là một những nhiệm vụ quan trọng của công
trình.
3.1.2 Làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox:
Kết quả thu được sau 270 ngày vận hành với việc nạp liên tục môi
trường I nuôi bùn Anammox với tỉ lệ nồng độ N-NH4 và N-NO2 1:1
tăng dần (10 - 250) mg/l, được trình bày ở các đồ thò 1 và 2. Kết quả
cho thấy trong giai đoạn này đã xuất hiện sự tiêu thụ đồng thời cả NNH4 và N-NO2 kèm theo sự tạo thành một lượng nhỏ N-NO3. Hiệu
suất loại N-NH4 tăng dần từ 0 - 81,5%, loại N-NO2, tăng dần từ 0 85,6% và lượng N-NO3 tạo ra từ 1,0 -5,5 mg/l, nhưng để đạt được
hiệu suất loại tổng nitơ khoảng 50% cần thời gian là 150 ngày vận
hành, xuất hiện màu đỏ trong bùn. Sau 9 tháng lượng bùn (SS) giảm
từ 5.500 mg/l, xuống còn 1.120 mg/l, đó là kết quả của sự phân hủy
kỵ khí sinh khối vi khuẩn dò dưỡng trong điều kiện không cung cấp
nguồn dinh dưỡng cacbon hữu cơ. Kết quả này phù hợp với nồng độ

COD đầu ra giảm dần khi bùn Anammox chuyển từ màu đen sang
màu nâu và sang màu đỏ, dấu hiệu đặc trưng của vi khuẩn Anammox
60
50

150

N-NH4 vào

40

100

30

H ie äu su a át %

N - N H 4 ( m g /L )

Hiệu suất

20

50

N-NH4 ra

0

3

50

100

150

200

250

80

250

70

200

90

300

80

10
0

Hiệu suất

200

N-NO2 vào

100

40
30
20

50

270

60
50

150

0

70
H ie äu su ất %

90

250

N - N O 2 ( m g /L )

300

N-NO2 ra
3

50

100

150

200

10

250

270

0

Ngày

Ngày

Đồ thò 1,2: Sự giảm N-NH4 , N-NO2 và hiệu suất quá trình làm giàu với môi trường I

Tóm lại: Sau 270 ngày trong môi trường I thích nghi, đã tích lũy và
làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí ở bể UASB của
hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo, sinh khối bùn từ màu đen

chuyển sang màu đỏ, kết quả này phù hợp với một số các nghiên
cứu. Mẫu bùn này một phần được gởi sang Nhật để nhận dạng vi
khuẩn bằng phương pháp sinh học phân tử. Mặt khác cũng bắt đầu
tiến hành nghiên cứu, khảo sát hoạt động xử lý ammonium trong môi
trường.
3.1.3 Kết quả đònh danh nhóm vi khuẩn Anammox
12


Kết quả giải trình tự 16SrDNA cho thấy được độ tương đồng khá
cao so với các chủng các mẫu trong ngân hàng gen, do đó cho phép
khẳng đònh rằng trong bùn kỵ khí làm giàu ở Việt Nam có sự hiện
diện của vi khuẩn Anammox, tương tự Candidatus Kuenenia
Stuttgartiensis ở Châu Âu và các dòng KOLL2a được công bố ở Thụy
Só, dòng KU2 công bố ở Nhật. Tuy nhiên mức độ tương đồng thấp
khi so sánh với vi khuẩn Anammox phát hiện đầu tiên ở Hà Lan là
Candidatus brocadia anammoxidans và dòng KU1 ở Nhật được gọi là
Ho chi Minh anammox reacter.
3.1.4 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ xử lý
ammonium bằng vi khuẩn Anammox
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian lưu nước (HRT), tỉ số
COD/tổng N, và tải lượng nitơ đến hiệu suất xử lý đã tiến hành thí
nghiệm với mô hình xử lý liên tục và các kết quả thu được cũng là
một phần của nội dung nghiên cứu.
3.1.4.1 Kết quả và thảo luận về ảnh hưởng của HRT
H iệu suất %

100

Đồ thò 3: Sự

thay đổi hiệu
suất loại tổng
N theo HRT

90
80
70
60

HRT 18 gi ờ

HRT 24 gi ờ

HRT 30 gi ờ

50
40

HRT 12 gi ờ

30
20

HRT 6 gi ờ

10
0
270

290

310

330

350

370

Ngày

Kết quả cho thấy với thời gian lưu nước 6 giờ thì hiệu suất xử lý
đạt 42-46%, vì với 6 giờ lưu nước chưa đủ để vi khuẩn Anammox
hoạt động. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi thời gian lưu nước tăng
lên 12 giờ thì hiệu suất xử lý đã đạt được từ 75 - 78 %, và 86-92%
khi thời gian lưu nước 18 - 24 giờ, Như vậy có thể nói thời gian lưu
nước 18 giờ hoạt động của vi khuẩn Anammox bắt đầu ổn đònh; và
khi thời gian lưu nước tăng lên 30 giờ thì hiệu suất xử lý đạt từ 92 93,7%. Với các tác giả, cũng thu được kết quả tương tự khi hiệu suất
xử lý đạt 99,9% thì thời gian lưu nước kéo dài 42 giờ.
3.1.4.2 Kết quả và thảo luận về ảnh hưởng của tải lượng nitơ:
13


Hiệu suất %

Đồ thò 4 cho thấy trong giai đoạn đầu khi tải lượng 0,5 - 1
kgN/m3/ngày, hiệu suất xử lý tăng từ 87% đến 90%. Khi tải lượng
tăng 1 đến 3 kgN/m3/ngày, hiệu suất xử lý tăng không đáng kể và
giữ tương đối ổn đònh ở 90%; tải lượng lên 3 - 9 kgN/m3/ngày, thì
hiệu suất xử lý giảm nhưng không đáng kể, từ 90% xuống còn 75%.

Như vậy vi khuẩn Anammox vẫn có thể hoạt động được ở tải lượng
cao.
100

Đồ thò 4. Hiệu
suất chuyển hóa
nitơ khi tải
lượng nitơ thay
đổi theo thời
gian

95
90
85

1,0

0,5

1,5

3,0

2,0

9,0

80
75
70

370

390

410

430

450

470

490

Ngày

Hiệu suất %

3.1.4.3 Kết quả và thảo luận về ảnh hưởng chất hữu cơ (COD)
Đồ thò 5 cho thấy ảnh hưởng của COD đến sự chuyển hóa nitrit và
ammonium thành khí nitơ của vi khuẩn Anammox như sau: Khi tỉ lệ
COD/tổng N là 0,0 và 0,2 thì hiệu suất xử lý là 80% nhưng nếu tăng
tỉ lệ COD/tổng N từ 0,4 đến 1,5 thì hiệu suất xử lý giảm từ 68%
xuống còn 14%. Kết quả tương tự với nhận đònh của P. Jenicek và
cộng sự khi nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong nước
thải nuôi heo thì: hiệu suất loại N-NH4 là 70-74 % và loại COD là
35,4 - 48,6% và còn Ahn và cộng sự với môi trường có tỉ số
COD/tổng N bằng 0,6 thì hiệu suất loại N-NH4 là 63,5 % và loại
COD là 20,3 %. Từ đồ thò 5 nhận thấy nồng độ COD trong môi
trường có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình chuyển hóa ammonium và

nitrit thành khí nitơ bằng vi khuẩn Anammox
100

Đồ thò 5. Hiệu
suất loại tổng
nitơ với tỉ lệ
COD/tổng nitơ
thay đổi theo
thời gian

90
80
70
60

0,6
0

0,8

0,2

1,0

50
40

0,4

30

1,5

20
10
0
490

510

530

550

570

14

590

610

Ngày


3.2 THÍ NGHIỆM II: LÀM GIÀU BÙN SINH KHỐI ANAMMOX

Thí nghiệm II với nồng độ N-NH4 dao động trong khoảng từ
380-424mg/l. Vì vậy để tạo môi trường II có tỉ lệ N-NH4:NNO2 khoảng 1:1 thì cần bổ sung vào nước thải chất oxy hóa NNO2 với nồng độ là 420 mg/l, khi này tải lượng nitơ vào cao
gấp đôi so với môi trường I và môi trường III. Kết quả thu

được ở thí nghiệm được ghi nhận trên hai đồ thò 6 và 7, cho
thấy để đạt đến hiệu suất loại được 50% nitơ của môi trường
thì thời gian vận hành làm giàu vi khuẩn là 115 ngày và kết
quả loại nitơ càng nhanh, khi thời gian 35 ngày tiếp theo hiệu
suất loại nitơ đã đạt trên 80%
90

450

80

400

70

350

60

250

50

200

40

N - N H 4 ( m g /L )

300

Hiệu suất

150
100

N-NH4 ra

50
0

3

50

100

30

80
70

300

60

250

50

200

40

Hiệu suất

150

20

100

10

50

0

0

150 Ngày

90

N-NO2 vào

30

N-NO2 ra

H ie äu su ất %

N-NH4 vào

350

H ie äu su a át %

400

N - N H 4 (m g /L )

450

20
10
0

3

50

100

150 Ngày

Đồ thò 6,7: Sự giảm N-NH4 N-NO2 và hiệu suất quá trình làm giàu với môi trường II

Sau 150 ngày hàm lượng bùn (SS) giảm từ 5.500 mg/l, xuống còn
1.410 mg/l và sinh khối vi khuẩn Anammox đã chuyển từ màu nâu

đỏ sang màu đỏ tươi. Sinh khối vi khuẩn Anammox làm giàu trong
thí nghiệm này dùng để cấy vào pilot xử lý nước thải chăn nuôi heo.
3.3 THÍ NGHIỆM III: LÀM GIÀU BÙN SINH KHỐI ANAMMOX VÀ
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH 10 LÍT/NGÀY
3.3.1 Kết quả tích lũy – làm giàu môi trường III
Kết quả biểu diễn ở đồ thò dưới 8 và 9, cho thấy sau thời gian 80
ngày vận hành liên tục có sự giảm đồng thời N-NH4 và N-NO2 trong
thí nghiệm, hiệu suất loại nitơ cũng tăng dần theo thời gian và trong
mô hình bùn đã chuyển sang màu nâu đỏ. Trong thời gian này thì
hiệu suất loại tổng nitơ trên 50%, tiếp tục vận hành thêm đến sau
100 ngày thì hiệu suất tăng trên 70% nhưng khi vận hành đến ngày
150 thì chỉ tăng 85%. Đến sau 150 ngày hàm lượng bùn (SS) giảm từ
15


5,5g/l, xuống còn 1,35g/l, khi này bùn Anammox đã chuyển từ màu
nâu đỏ sang màu đỏ tươi, bông bùn có kích thước lớn hơn bùn ban
đầu từ bể UASB là do nhóm vi khuẩn Anammox đã tập trung lại với
nhau, đây là dấu hiệu đặc trưng của vi khuẩn Anammox (Schmidt và
cộng sự, 2003; van Dongen và cộng sự, 2001), vì nhờ có sắt (FeII và
FeIII), là ion trung tâm của các nhân haem, nên vi khuẩn Anammox
có màu đỏ đặc trưng thể hiện rõ nhất khi chúng quần tụ với nhau ở
mật độ lớn trong bùn hoạt tính. Thí nghiệm III có nồng độ N-NH4 và
N-NO2 khoảng từ 180-220 mg/l cũng theo tỉ lệ 1:1 nhưng qua giai
đoạn nitrit hóa đây là giai đoạn hiếu khí để oxy hóa NH4+ về NO2cần lượng oxy hoà tan (DO) từ 0,15 - 2,0 mg/l, cho nên trong môi
trường III luôn tồn tại một sản phẩm trung gian là NH2OH sinh ra từ
quá trình nitrit hóa, sản phẩm trung gian này cũng là sản phẩm trung
gian của quá trình Anammox theo cơ chế chuyển hóa ammonium và
nitrit dưới tác dụng của các enzym NR của vi khuẩn Anammox.
90

N-NH4 vào

250
200

50
40

100

Hiệu suất

50

30

N-NH4 ra

H ie äu su a át %

N - N H 4 ( m g /L )

150

80

N - N O 2 ( m g /L )

70

60

100

N-NO2 vào

80

200

150

60

100

20

40

Hiệu suất

50

N-NO2 Ra

H ie äu s u a át %

250

20

10
0

0

3

50

100

150

0
Ngày

3

50

0

100

150

Ngày

Đồ thò 8,9: Sự giảm N-NH4 N-NO2 và hiệu suất của quá trình làm già
u vớ2ira
môi trường III
N-NO

H%

3.3.2 Kết quả và thảo luận mô hình thí nghiệm 10 lít/ngày
100

350

Tổng hiệu suất

80
60
40

N-NH4 vào

300

hiệu suất Anammox

250

hiệu suất nitrit hóa

150

200

N-NH4 ra Anammox

100

20

N-NH4 ra Nitri hóa

50
0

0
0

20

40

60

80

100

Ngày

0

20

40

60

Đồ thò 10, 11: Sự giảm N-NH4 và hiệu suất xử lý nitơ ở mô hình

16

80

100

Ngày


* Kết quả thu được ở các đồ thò 10 và 11, cho thấy nhóm vi khuẩn
Anammox hoạt động tương đối ổn đònh sau 150 ngày làm giàu, hiệu
suất loại ammonium trong nước thải chăn nuôi heo với mô hình này
đạt 80-95%. Để đạt được hiệu suất xử lý như vậy cần có sự tham gia
của vi khuẩn Nitrosomonas thực hiện nitrit hóa, để hỗ trợ cho hoạt
động của quá trình Anammox. Mô hình vận hành với tải trọng từ
0,17 – 0,33 kg N-NH4/m3/ngày. Tuy nhiên tải trọng này còn thấp
hơn so với tải lượng từ 0,7 - 0,8 kg N-NH4/m3/ngày; 0,66 kgNNH4/m3/ngày; 0,5 kgN-NH4/m3/ngày.
* Sự tạo khí N2: Khí Nitơ sinh ra và thu được trong quá trình
Anammox là 1,7-2,5 lít khí N2/ngày kết quả này tương tự với kết quả
tính toán lý thuyết theo phương trình phản ứng (1.4)
* Nồng độ N-NO3 sinh ra tương đối thấp từ 1,5-5,8 mg/l, là tương
ứng theo phương trình (1.4) với quá trình Anammox.

* Biến đổi DO trung bình qua hai giai đoạn:
Trong suốt thời gian vận hành mô hình thí nghiệm kết quả đo được
như sau: Đầu vào có DO là 0,1 - 0,2 mg/l, giai đoạn nitrit hóa DO là
0,5 – 0,7 mg/l và giai đoạn Anammox DO là 0,3 – 0,5 mg/l.
* Biến đổi giá trò pH trung bình qua hai giai đoạn như sau:
Đầu vào pH 7,5 - 8,1 sau giai đoạn nitrit hóa pH giảm xuống trong
khoảng 6,8 - 7,8 và sau giai đoạn Anammox pH tăng lên 8,0 - 8,5.
* Kết quả xử lý P-PO4 50-60%:
Hàm lượng P-PO4 giảm tương đối nhiều,một là do hấp thụ nội bào
để tạo năng lượng cho chúng hoạt động; mặt khác có thể do các kết
tủa ngoại bào với các ion khác có trong nước thải. Theo Hwang và
cộng sự thì khi xử lý N-NH4 đạt hiệu suất 94,1 % thì hiệu suất loại
P-PO4 đạt 87,2 %
* Kết quả xử lý COD 38-50%:
Kết quả xử lý COD tương đối thấp là do hai nhóm vi khuẩn dùng
trong thí nghiệm là những vi khuẩn tự dưỡng không cần nguồn
cacbon hữu cơ. Với kết quả này thì trong thí nghiệm có tồn tại một
số vi khuẩn xử lý COD từ nguồn nước thải chăn nuôi heo.

3.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Ở QUI MÔ PILOT 500LÍT/NGÀY
17


Khi ứng dụng được quá trình Anammox xử lý ammonium trong
nước thải chăn nuôi heo. Pilot thực nghiệm xử lý có công suất 200500 lít/ngày, qua hai giai đoạn: Nitrit hóa phải tạo ra tỉ lệ nồng độ
N-NH4:N-NO2 =1:1±0,2, tải trọng từ 0,25-0,40 kgN-NH4/m3/ngày.

m
g
/lN

-N
H
4

3.4.1 Kết quả thực hiện ở hệ Pilot 500 lít/ngày
Trong thời gian đầu vận hành thích nghi nhận thấy rằng hiệu suất
làm việc của pilot không ổn đònh, do vi khuẩn Nitrosomonas và
Anammox chưa thích nghi hoàn toàn, mặt khác còn bò ảnh hưởng của
COD và DO và sự hoạt động của các nhóm vi khuẩn khác trong
nước thải đầu vào sẽ ức chế khả năng làm việc của hai nhóm vi
khuẩn.
450
400

500lít/ngày

350
300
250

200lít/ngay

300lít/ngay

400lít/ngày
N-NH4 vào

200
150
100

N-NH4 QT nitrit

50
0

N-NH4 ra
0

100

200

300

H
%

Ngày

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10

0

500lít/ngay

200lít/ngày

300lít/ngay

400lít/ngay

Tổng hiệu suất
HS Anammox
HS QT Nitrit

0

50

100

150

200

250

300
Ngày

Đồ thò 12, 13 Sự giảm N-NH4 và hiệu suất quá trình Nitrit - Anammox

Một số ghi nhận khác liên quan đến hoạt động của Pilot
* Sự biến đổi của DO: Nồng độ DO đầu vào là 0,1 - 0,2 mg/l, đối
với ở giai đoạn Nitrit hóa là 0,7 – 0,9 mg/l do cung cấp oxy và ở giai
đoạn Anammox giảm còn 0,3 – 0,4 mg/l.

18


* Biến đổi pH trung bình ở các giai đoạn được ghi nhận như sau: pH
ban đầu 7,5 - 8,1, giảm xuống còn 6,8 - 7,9 ở giai đoạn nitrit hóa và
ở giai đoạn Anammox tăng lên lại đến 8,0 - 8,5.
* Hiệu quả xử lý P-PO4 sau 240 ngày vận hành đạt được là 48 64%.
* Hiệu suất loại COD đạt 26-46% là giá trò trung bình của cả hai giai
đoạn xử lý kéo dài 240 ngày.
3.4.2 Nhận xét
Tăng lưu lượng nước từ 200 lít/ngày đến 400lít/ngày, sau giai đoạn
thích nghi để ổn đònh hiệu suất xử lý tăng đạt 87,5 - 97,9.
- Kết quả đạt được ở qui mô pilot hoàn toàn phù hợp với kết quả
của nhiều tác giả khác, mở ra khả năng ứng dụng trong xử
ammonium trong nước thải nuôi heo.
Bảng 4: So sánh tải lượng xử lý ammonium trong nước thải
Quá trình
Anammox, bùn hạt UASB
Nitrit hóa-Anammox
Nitrit hóa-Anammox

Tải lượng
(KgN-NH4/m3/ngày)
Mô hình 2,9

Pilot: 6,4
1,45
0,59

Ghi chú
173 ngày
12 tháng

71-82

NO2/NH4=1,48

Mô hình: 0,17-0,33

65-80
80-95

NO2/NH4=1,79
120 ngày

Pilot: 0,25 - 0,4

90-97

240 ngày

0,66
Nitrit hóa-Anammox
nghiên cứu luận án

Hiệu suất
(%)
82

CHƯƠNG 4. THẢO LUẬN CHUNG
Trên cơ sở từ những kết quả thu được có thể có một số vấn đề
phát sinh và một vài phát hiện mới cần được thảo luận và tiếp tục
làm rõ.
4.1 Về đặc tính thải chăn nuôi heo và công nghệ xử lý
Tổng quan tài liệu cho thấy thành phần và tính chất của nước thải
chăn nuôi heo có nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao, dao động rất lớn do
sự khác nhau ở các nước có nền chăn nuôi công nghiệp phát triển so
với các nước kém phát triển.
Công nghệ xử lý chăn nước thải nuôi heo ở các nước công nghiệp
phát triển như: Đan Mạch, Úc và Nhật… luôn kèm theo công đoạn
19


xử lý nitơ, photpho và hồ tự nhiên, nhằm ổn đònh nước thải sau xử
lý, trong khi ở nước ta chỉ chú ý đến xử lý COD, qua hệ thống hồ tự
nhiên, lượng N-NH4 quá lớn còn lại gần như không được xử lý do đó
nó là nguyên nhân đáng kể gay ô nhiễm thủy vực.
4.2 Về nghiên cứu và ứng dụng quá trình Anammox
Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox vào việc xử lý nước
thải giàu N-NH4 mới chỉ được thực hiện nhiều nhất từ năm2004 đến
nay, còn trước đó chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản để
đònh hướng cho nghiên cứu ứng dụng và tiến hành áp dụng vào các
hệ thống xử lý. Quá trình Anammox được ứng dụng thành công đầu
tiên ở Hà Lan đối với nước thải sinh hoạt đô thò và nước thải công
nghiệp thuộc da.

4.3 Về quá trình làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox
Cho đến 2004 trên thế giới vẫn chưa có tài liệu nào về quá trình
làm giàu sinh khối Anammox từ bùn ở hệ thống xử lý nước thải chăn
nuôi heo được công bố, do đó khi tiến hành thí nghiệm tích luỹ - làm
giàu nhóm vi khuẩn Anammox đã phải dựa chủ yếu vào sử dụng môi
trường tổng hợp (môi trường I), theo Van de Graaf và cộng sự, Kenji
Furukawa và cộng sự. Sau khi thu được kết quả ở thí nghiệm I, đã
thực hiện tiếp các nội dung nghiên cứu làm giàu vi khuẩn Anammox
bằng các môi trường II và III đã rút ngắn được thời gian còn 4-5
tháng với hiệu suất loại nitơ đạt được trên 80%, khi phối hợp hai
quá trình Nitrit hóa và Anammox. Trong thời gian này cũng có các
nghiên cứu của Hung-Thuan Tran, cộng sự có kết quả là trong thời
gian hơn 6 tháng làm giàu. Còn Yang và cộng sự có kết quả là bùn
hoạt tính cũng chuyển từ màu đen sang nâu rồi đến đỏ, trong thời
gian hơn 9 tháng làm giàu (bảng 5).
Bảng 5: Giới thiệu kết quả nghiên cứu thời gian làm giàu vi khuẩn
Anammox của nhiều công trình khác nhau.
Tác giả
Trigo và cộng sự
Yang và cộng sự
Dapena-Mora,

Mô hình Nguồn bùn
MSBR HTXL NT
SH
UASB HTXL NT
SH
SBR
HTXL NT

Môi Thời gian Nồng độ
Tải lượng
trường (ngày) (mgN/lít) (kg N/m3/ngày)
Tổng
185
100-700
hợp
Tổng
271-350
0,4-0,8
hợp
Tổng
160
900
1,4

20

HS
(%)
73,6
70-82
82


cộng sự
Hung-Thuan Tran
và cộng sự
Imajo, cộng sự
Kết quả nghiên

cứu của luận án
với 3 loại môi
trường

SH
Bùn hạt ở
bể UASB
UASB HTXL NT
bia
UASB - 1 HTXL NT
heo
UASB -2 HTXL NT
heo
UASB -3 HTXL NT
heo
UASB

hợp
Tổng
hợp
Tổng
hợp
Tổng
hợp
NT CN
heo
NTCN
heo

200

50-150

-

60

173

1600

2,28

86,5

270

20-500

0,02 - 0,5

81

150

780-840

0,78 - 0,84

82

120

390-420

0,39 - 0,42

82

Sự chuyển hóa NH4+ thành N2 với vai trò oxy hóa của NO2- có sự
tham gia của vi khuẩn Anammox phản ứng (1.4) và quá trình nitit
hóa NH4+ về NO2- với sự tham gia của vi khuẩn Nitrosomonas, theo
phản ứng (1.5, 1.6), thì có một sản phẩm trung gian là NH2OH. Theo
cơ sở lý thuyết về đặc tính sinh lý thì vi khuẩn Anammox sẽ bò ức
chế khi nồng độ nitrit cao (ái lực của vi khuẩn Anammox trong môi
trường với nitrit thấp), còn khi có mặt sản phẩm trung gian NH2OH
thì hoạt hóa của vi khuẩn Anammox sẽ mạnh hơn. Đồng thời theo
hai phương trình chuyển hóa trên, thì đến quá trình làm giàu sinh
khối vi khuẩn Anammox có tồn tại trong môi trường làm giàu một
sản phẩm trung gian NH2OH, sản phẩm trung gian này sẽ là chất
kích thích enzym HH của vi khuẩn Anammox làm cho NH4+ tiêu thu
nhanh hơn đối với quá trình chuyển hóa của NO2- thành NH2OH bởi
enzym NR theo theo cơ chế (hình 5). Mặt khác về tính chất hóa học
thì NH2OH là một chất kém bền nên nó có thể làm kích hoạt, hoạt
động vi khuẩn Anammox, nhanh hơn là NO2- cho nên thời gian phát
triển sinh khối vi khuẩn Anammox sẽ nhanh hơn nên thời gian làm
giàu sẽ ngắn lại.
Tác động qua lại của hai nhóm Nitrosomonas- Anammox được mô
tả trong hình dưới đây.
Nitrosomonas

NH4+
Anammox
NH4+

AMO

NH3 + O2
NR
NH3 +O2

HAO
NH2OH
HZO

NO2HH

NH2OH + NH4+

AMO

HAO

N2H4

HZO

HAO

NO2-

NH2OH
NR

AMO

HH

NR HZO HH

N2

Hình 5. Cơ chế phản ứng21
và tác động qua lại bởi các enzym
của hai nhóm Nitrosomonas- Anammox


Phương trình chuyển hóa bởi các enzym xảy ra phản ứng như sau:
AMO -AOB
NH4+ NH3 + O2
NH2OH
(4.1)
N2H4
(4.2)
HH – Anammox NH2OH + NH4+
N2
(4.2)
HZO -Anammox N2H4
HAO-AOB
NH2OH
NO2

(4.4)
NH2OH
(4.5)
NR - Anammox NO2Chu trình chuyển hoá ammonium thành nitơ bởi 5 enzym của hai
nhóm vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox được lặp lại liên tục.
Ở thí nghiệm III có nồng độ N-NH4 và N-NO2 khoảng từ 180-220
mg/l, theo tỉ lệ 1:1±0,2 đã qua quá trình nitrit hóa thì quá trình làm
giàu sinh khối vi khuẩn Anammox, ngắn hơn thí nghiệm I và thí
nghiệm II. Trong thí nghiệm III là dung dòch môi trường III được tạo
ra bằng quá trình nitrit hóa, với lượng oxy hoà tan (DO) được cung
cấp khoảng 0,5 - 0,7 mg/l. Mặt khác theo nghiên cứu (số liệu chưa
công bố) khi thực hiện chung quá trình Nitrit hoá-Anammox trên giá
thể với DO được cung cấp < 1 mg/l, lượng NO2- sinh ra thấp hơn so
với lý thuyết có nghóa là dãy phương trình phản ứng (4.1, 4.2, 4.3,
4.4 và 4.5) đã xảy ra, nhưng phản ứng (4.4 và 4.5) của hai enzym
HAO - AOB của vi khuẩn Nitrosomonas và NR của vi khuẩn
Anammox hoạt động yếu hơn so với các phản ứng (4.1, 4.2, 4.3). Các
nghiên cứu của Furukawa và cộng sự, Cema và cộng sự đều cho
rằng hai nhóm vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox cùng kết hợp,
tồn tại và phát triển chung trên một thiết bò xử lý (SNAP) với DO
cung cấp 2-3 mg/l. Vì thế trong môi trường III sẽ luôn tồn tại
NH2OH.
Hai trong các yếu tố môi trường là thời gian lưu nước (HRT) và tỉ
lệ COD/tổng N, có thể tác động mạnh đến hiệu suất xử lý nitơ, do
đó có ý nghóa quyết đònh đến việc tính toán và thiết kế hệ thống xử
lý nitơ khi ứng dụng vi khuẩn Anammox .
Nước thải sau bể UASB của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi
heo có thành phần môi trường rất thích hợp cho việc ứng dụng quá
trình Nitrit hóa-Anammox trong xử lý N-NH4. Kết quả thực nghiệm
ở mô hình 10 lít/ngày và pilot 500 lít/ngày, tương ứng với tải lượng

nitơ vào tương ứng là 0,17-0,33 kgN/m3/ngày và 0,25-0,40 kg
22


N/m3/ngày là phù hợp với tải lượng thiết kế nghiên cứu, nhưng thấp
hơn so tải lượng trong các nghiên cứu của Vanotti là 0,7 - 0,8 kg
N/m3/ngày. Do đó cần tiếp tục nghiên cứu để nâng tải lượng nitơ
đầu vào. Hiệu suất loại nitơ là (80 – 90)% tương ứng với lượng khí
N2 tạo ra từ N-NH4 theo tính toán (0,67 – 0,73 lít/gN-NH4.ngày), Kết
quả thực nghiệm cho thấy lượng khí N2 thu được là 0,57 – 0,83 lít
khí N2/gN-NH4/ngày, kết quả đó tương ứng với hiệu suất chuyển
hóa N-NH4 và N-NO2 80 – 95%.
4.4 Áp dụng quá trình Anammox xử lý nước thải chăn nuôi heo
Công nghệ xử lý nước thải nuôi heo ở Việt Nam, chưa có công
nghệ xử lý nào áp dụng quá trình Nitrit hóa- Anammox vào qui
trình xử lý nitơ cho nước thải nuôi heo và cả các loại nước thải
giàu ammonium khác. Đối với nước thải giàu N-NH4 như nước thải
chăn nuôi heo sau các công đoạn xử lý cơ bản là khử COD, SS, ….
Mà đã xả ra nguồn tiếp nhận, thông thường không đạt tiêu chuẩn xả
thải theo TCVN 5945-2005 cột B đặc biệt là về các chỉ tiêu tổng
nitơ và N-NH4. Do đó việc tìm ra công nghệ thích hợp để cho xử lý
nước thải chăn nuôi heo đạt TCVN 5945-2005 cột B là rất cần thiết.
Sơ đồ hình dưới thích hợp cho mục đích xử lý các nguồn nước thải
giàu N-NH4. Việc ứng dụng sơ đồ xử lý này vào nước thải chăn nuôi
heo sẽ góp phần giảm ô nhiễm N-NH4 ở các nguồn thuỷ vực khi
tiếp nhận.
Nước thải

Thu khí biogas

Sử dung

Tách
phân rắn

Bể UASB

Bể nitrit hóa - Anammox

Ủ-phối trộn
Comfost

Nguồn tiếp nhận

Hồ cân bằng

Hình 6. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nuôi heo thích hợp

23


KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm làm giàu, nhận dạng vi khuẩn
Anammox và thí nghiệm xử lý nước thải chăn nuôi heo cho phép rút
ra những kết luận và đề nghò sau đây:
A. KẾT LUẬN
1. Từ bùn kỵ khí ở bể UASB trong hệ xử lý nước thải chăn nuôi heo
tại Xí nghiệp lợn giống Đông Á, đã làm giàu và tích luỹ được vi
khuẩn Anammox với màu đỏ đặc trưng. Kết quả giải trình tự gien
16SrDNA cho thấy sinh khối vi khuẩn Anammox thu được có độ

tương đồng đạt 99,4% so với trình tự gien của Candidatus Kuenenia
stuttgartiensis, KOLL2a và KU2 và đạt thấp hơn so với trình tự gien
16SrDNA của Candidatus Brocadia anammoxidans và KU1, vi
khuẩn Anammox phát hiên lần đầu tiên ở Hà Lan Ho chi Minh
anammox reacter
2. Trong 3 loại môi trường đã làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox,
thì môi trường III có thời gian làm giàu chỉ khoảng 120 ngày.
3. Lượng khí N2 thu được trong thực nghiệm xử lý ammonium trong
nước thải chăn nuôi heo, bằng quá trình Anammox tương tự với lý
thuyết theo phương trình (1.4).
4. Thời gian vi khuẩn Anammox cần tiếp xúc với môi trường để có
thể thực hiện chuyển hóa ammonium thành N2 là 18 giờ. Tỉ lệ
COD/tổng N càng cao càng ảnh hưởng không tốt đến hoạt động xử
lý nitơ của vi khuẩn Anammox, do cạnh tranh yếu hơn so với các
nhóm vi khuẩn kỵ khí khác.
5. Với mô hình 10 lít/ngày, hiệu suất xử lý ở giai đoạn nitrit hóa chỉ
đạt được 45-55% khi tỉ lệ N-NH4:N-NO2 là 1:1±0,2. Tỉ lệ này phù
hợp cho vi khuẩn Anammox hoạt động xử lý N-NH4 đạt hiệu quả cao.
Hiệu suất loại N-NH4 của cả quá trình Nitrit hóa-Anammox đạt 8095%. Trong thực nghiệm ở pilot, hiệu suất xử lý ở giai đoạn Nitrit
hóa cũng đạt được 50-60% và hiệu quả loại N-NH4 trong nước thải
chăn nuôi heo của cà quá trình đạt 80-97%.
B. ĐỀ NGHỊ

24


1. Nghiên cứu từng môi trường khác nhau để tìm ra giải pháp tổng
hợp góp phần ứng dụng quá trình kết hợp Nitrit hóa –Anammox trên
cùng một thiết bò.
2. Tiếp tục nghiên cứu sinh khối, sinh trưởng và hoạt động xử lý NNH4 của vi khuẩn Anammox nhằm nâng cao tải lượng N-NH4 cho

nước thải đầu vào.
3. Nghiên cứu sản xuất và bảo quản chế phẩm sinh khối vi khuẩn
Anammox và Nitrosomonas.

25