SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM CHẾ PHẨM VI SINH NitroAnammox ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU AMMONIUM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM CHẾ PHẨM VI SINH
NitroAnammox ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI GIÀU AMMONIUM

Ngành học: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Sinh viên thực hiện: LƯU THỊ THU THẢO
Niên khóa: 2005 – 2009

Tháng 8 năm 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM CHẾ PHẨM VI SINH
NitroAnammox ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI GIÀU AMMONIUM

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Th.S LÊ CÔNG NHẤT PHƯƠNG

Tháng 8 năm 2009

LƯU THỊ THU THẢO


LỜI CẢM ƠN

Em trân trọng cảm ơn ThS. Lê Công Nhất Phương, người đã tận tình dẫn dắt,
chỉ bảo em và tạo kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em chân thành cảm ơn ThS. Lê thị Ánh Hồng đã nhiệt tình hướng dẫn, góp ý
cho em hoàn thành đề tài. Em chân thành cảm ơn KS. Lưu Thị Mỹ Kiều và KS.
Nguyễn Huỳnh Tấn Long đã truyền đạt cho em những kinh nghiệm quý báu.
Em xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo và tập thể cán bộ công nhân viên Viện Sinh
Học Nhiệt Đới Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cơ sở vật chất và tinh thần
cho em.
Cuối cùng, em chân thành cảm ơn ba mẹ, chị hai, em gái và người thân trong
gia đình, bạn bè đã động viên, khích lệ, là nguồn lực tinh thần giúp em vượt qua những
khó khăn trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2009
Lưu Thị Thu Thảo

iii


TÓM TẮT
Nitơ trong nước thải là một trong những yếu tố nguy cơ gây hiện tượng phú
dưỡng hóa gây tác động xấu đến môi trường. Sự phát hiện ra hai nhóm vi khuẩn oxy
hóa ammonium hiếu khí Nitrosomonas và vi khuẩn oxy hóa ammonium kỵ khí
Anammox đã mở ra một phương pháp xử lý ammonium mới và hiệu quả thay vì những
phương pháp xử lý ammonium truyền thống.

Dựa trên đặc điểm sinh hóa và nguyên lý hoạt động của hai nhóm vi khuẩn này,
trong luận văn này tiến hành sản xuất và thử nghiệm chế phẩm vi sinh NitroAnammox
sử dụng cho xử lý ammonium trong nước thải.
Đề tài nghiên cứu: “Sản xuất thử nghiệm chế phẩm vi sinh NitroAnammox ứng
dụng trong xử lý nước thải giàu ammonium” được tiến hành tại Viện Sinh Học Nhiệt
Đới từ tháng 02/2009 đến tháng 07/2009. Thí nghiệm được bố trí theo 4 giai đoạn:
Giai đoạn 1: tiến hành phân lập vi khuẩn Nitrosomonas từ mô hình tại phòng
thí nghiệm. Kết quả là phân lập được vi khuẩn Nitrosomonas từ nguồn trên.
Giai đoạn 2: tiến hành phối trộn hai nhóm vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox
vào chất mang thích hợp và mang đi sấy chân không. Sáu chế phẩm vi sinh gồm ba
chế phẩm có chất mang hoàn toàn hữu cơ NA1, NA2, NA3 và ba chế phẩm với chất
mang hữu cơ, vô cơ NA4, NA5, NA6 đã được sản xuất và
Giai đoạn 3: Sáu chế phẩm vi sinh được thiết kế trên hai thí nghiệm ở nồng độ
ammonium 350 ppm nhằm đánh giá khả năng xử lý ammonium của vi sinh trong các
chế phẩm và so sánh khả năng xử lý ammonium giữa các chế phẩm. Hiệu suất xử lý
thu được của chế phẩm NA1, NA2, NA3 và NA4, NA5, NA6 sau 24 giờ xử lý trong
môi trường nước thải nhân tạo nằm trong khoảng 50 - 72% và 50 - 65%.
Giai đoạn 4: kiểm tra mật độ vi sinh vật có trong chế phẩm sau 1 ngày và sao 30
ngày sản xuất.
Kết quả cho thấy hai nhóm vi sinh vật này có khả năng tồn tại trên chất mang là
cám gạo, cám trấu và diatomid, đồng thời có khả năng xử lý ammonium hiệu quả.
Trong đó chế phẩm vi sinh có chất mang hoàn toàn hữu cơ cho hiệu suất cao hơn chế
phẩm vi sinh có chất mang là hỗn hợp hữu cơ và vô cơ.
iv


SUMMARY
Based on the physical and biochemical processes of Nitrosomonas and
Anammox bacteria, I produced and tested ability for treating the ammonium in the
wastewater of NitroAnammox microorganism-product.

The topic “Experimental production of NitroAnammox microorganism-product
was processed to apply in treatment of ammonium - rich wastewater” was conducted
at Institute of Tropical Biological from February 2009 to July 2009. The experiment is
carried out in 4 stages and leads to some following results:
The first stage: carry out subdividing Nitrosomonas bacteria from sludge of
wastewater treatment model in the laboratory. The experiment results of subdividing
bacteria from that sources are successful.
The second stage: carry out experimental producting NitroAnammox
microorganism-product by mixing Nitrosomonas bacteria and Anammox bacteria with
carriers. The chosen carriers in this experiment are bran (rice bran and husk bran) and
diatomid. As a result, 6 kinds of NitroAnammox microorganism-product are produced.
The third stage: experiment on ammonium treatment efficiencies of
NitroAnammox microorganism-product in the condition of the synthetic wastewater
with the concentration of ammonium 350 ppm. Ammonium removal efficiencies of
NA1, NA2, NA3 and NA4, NA5, NA6 after 24 hours are 50 - 72% and 50 - 72%
respectively.
The last stage: checking the density of Nitrosomonas bacteria in Nitrosomonas
microorganism-product after 30 days.
The enrichness of Nitrosomonas and Anammox bacteria proved that they can
exist and grow up with the bran which was the carrier. In there, the microorganic
production with the organic carrier NA1, NA2, NA3 treated more effectively than the
microorganic production with the inorganic carrier NA4, NA5, NA6.

v


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN

iii

TÓM TẮT

iv

SUMMARY

v

MỤC LỤC

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

x

DANH MỤC CÁC BẢNG

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH

xii

Chương 1 MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề

1

1.2. Yêu cầu của đề tài

2

1.3. Nội dung nghiên cứu

2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên

3

2.1.1. Quá trình nitrit hóa

3

2.1.2. Quá trình nitrat hóa

4

2.1.3. Quá trình khử nitrat hóa

4

2.2. Nước thải giàu ammonium

5

2.2.1. Nước thải chăn nuôi heo

5

2.2.2. Nước thải lò mổ

7

2.3. Phương pháp xử lý nước thải có chứa ammonium

7

2.3.1. Phương pháp hóa lý

7

2.3.2. Phương pháp sinh học

8

2.4. Giới thiệu về vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox

8

2.4.1. Nhóm vi khuẩn Nitrosomonas

9

2.4.1.1. Hình dạng

9

2.4.1.2. Phân loại

9

2.4.1.3. Môi trường sống

9

2.4.1.4. Cấu trúc tế bào

9

vi


2.4.1.5. Cơ chế hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas

10

2.4.2. Nhóm vi khuẩn Anammox

11

2.4.2.1. Lịch sử phát hiện

11

2.4.2.2. Định danh và phân loại vi khuẩn Anammox

11

2.4.2.3. Một số đặc điểm sinh lý

13

2.4.2.4. Cơ chế hóa sinh của quá trình Anammox

13

2.4.2.5. Cấu trúc tế bào vi khuẩn Anammox

14

2.4.2.6. Quá trình Anammox

15

2.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng

15

2.4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

16

2.4.3.2. Ảnh hưởng của pH

16

2.4.3.3. Ảnh hưởng của Oxy hòa tan

17

2.4.3.4. Chất vi lượng, kim loại nặng

17

2.4.3.5. Ảnh hưởng của các chất ức chế

17

2.5. Chế phẩm vi sinh

17

2.5.1. Định nghĩa

17

2.5.2. Thành phần chế phẩm vi sinh

17

2.6. Chất mang

18

2.7. Một số công nghệ xử lý nước thải dựa trên cơ sở Nitrosomonas và Anammox18

2.7.1. SHARON và quá trình kết hợp SHARON - Anammox

18

2.7.2. CANON

19

2.7.3. OLAND

19

2.7.4. SNAP

19

2.8. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

20

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Thời gian và đại điểm nghiên cứu

22

3.2. Vật liệu và các bước tiến hành đề tài nghiên cứu

22

3.2.1. Vi sinh vật và chất mang

22

3.2.2. Các bước tiến hành đề tài nghiên cứu

22

3.3. Phương pháp tiến hành

23

3.3.1. Pha loãng mẫu

23

3.3.2. Phân lập, thuần khiết và tăng sinh giống vi khuẩn Nitrosomonas

23

vii


3.3.2.1. Phân lập

23

3.3.2.2. Kiểm tra tính thuần khiết bằng phương pháp cấy ria góc

23

3.3.2.3. Định danh vi khuẩn bằng phương pháp nhuộm Gram

26

3.3.2.4. Định danh vi khuẩn phân lập được bằng kiểm tra sinh hóa

24

3.3.2.5. Tăng sinh mẫu

24

3.3.3. Xác định độ ẩm chất mang

25

3.3.4. Xác định VSS

25

3.3.5 Phối trộn vi sinh vật với chất mang và sấy chân không

26

3.4. Thử nghiệm khả năng xử lý ammonium của các chế phẩm vi sinh

29

3.4.1. Thí nghiệm 1

29

3.4.1.1. Vật liệu và dụng cụ

29

3.4.1.2. Hóa chất

29

3.4.1.3 Thao tác thực hiện

29

3.4.2 Thí nghiệm 2

30

3.4.2.1. Vật liệu và dụng cụ

30

3.4.2.2. Hóa chất

30

3.4.2.3 Thao tác thực hiện

30

3.5. Phương pháp phân tích

30

3.5.1. Xác định pH

30

3.5.2. Phân tích chỉ tiêu ammonium

30

3.5.3. Phân tích chỉ tiêu nitrit

31

3.5.4. Phân tích chỉ tiêu nitrat

32

Chương 4 KẾT QUẢ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả.............................................................................................................. 34
4.1.1 Kết quả phân lập................................................................................................34
4.1.2. Kết quả nhuộm Gram ......................................................................................34
4.1.3. Kết quả test sinh hóa.......................................................................................35
4.1.4. Kết quả tăng sinh vi khuẩn Nitrosomonas......................................................35
4.1.5. Kết quả đo VSS bùn Anammox .....................................................................35
4.1.6. Kết quả đo độ ẩm chất mang..........................................................................35
4.1.7. Kết quả đo mật độ vi sinh sau 1 ngày và 30 ngày sản xuất

36

4.2. Kết quả các thí nghiệm khả năng xử lý ammonium của chế phẩm vi sinh

36

viii


4.2.1. Kết quả thí nghiệm 1

36

4.2.2. Kết quả thí nghiệm 2

37

4.4 Nhận xét, thảo luận

38

4.4.1 Quá trình sản xuất chế phẩm vi sinh

38

4.4.2 Quá trình thử nghiệm

39

Chương 5 KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ

43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

44

PHỤ LỤC

ix


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Anammox: Anaerobic Ammonium Oxidation
AOB: Ammonium Oxidizing Bacteria
BOD: Biochemistry Oxygen Demand
CANON: Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite
COD: Chemical Oxygen Demand
HTR: Hydrauulic Retention Times
NOB: Nitrit Oxydizing Bacteria - NOB
OLAND: Oxygen - Limited Autotrophic Nitrification - Denitrification
SBR: Sequencing Batch Reactors
SHARON: Single reactor for High Activity Ammonium Removal Over Nitrite
SNAP: Single - stage Nitrogen removal using Anammox and Patial Nitrification

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 2.1 Các hợp chất chứa nitơ trong nước thải

5

Bảng 2.2 Các nguồn phát sinh nitơ

5

Bảng 2.3 Hiệu suất các quá trình hóa lý trong xử lý nitơ

8

Bảng 3.1 Thành phần các chế phẩm vi sinh NA1, NA2, NA3

27

Bảng 3.2 Thành phần các chế phẩm vi sinh NA4, NA5, NA6

28

Bảng 3.3 Thành phần các chất dựng đường chuẩn ammonium

31

Bảng 3.4 Thành phần các chất dựng đường chuẩn nitrit

32

Bảng 3.5 Thành phần các chất dựng đường chuẩn nitrat

33

Bảng 4.1 Mật độ vi sinh vật trong chế phẩm sau 1 ngày và 30 ngày sản xuất..............36
Bảng 4.2 Nồng độ ammonium hoạt hóa và thử nghiệm chế phẩm NA1, NA2, NA3...36
Bảng 4.3 Chỉ số pH của chế phẩm vi sinh NA1, NA2, NA3 .......................................37
Bảng 4.4 Nồng độ nitrit (mg/l) của chế phẩm vi sinh NA1, NA2, NA3 .....................37
Bảng 4.5 Nồng độ nitrat (mg/l) của chế phẩm vi sinh NA1, NA2, NA3 .....................37
Bảng 4.6 Nồng độ ammonium thử nghiệm chế phẩm NA1, NA2, NA3......................37
Bảng 4.7 Chỉ số pH của chế phẩm vi sinh NA4, NA5, NA6........................................38
Bảng 4.8 Nồng độ nitrit (mg/l) của chế phẩm vi sinh NA4, NA5, NA6......................38
Bảng 4.9 Nồng độ nitrat (mg/l) của chế phẩm vi sinh NA4, NA5, NA6.....................38
Bảng 4.10 Mô tả chế phẩm

.42

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
9

Hình 2.1 Vi khuẩn Nitrosomonas
Hình 2.2 Tế bào vi khuẩn Nitrosomonas

10

Hình 2.4 Vi khuẩn Anammox dưới kính hiển vi (x1000)

12

Hình 2.5 Sơ đồ cây phát sinh

13

Hình 2.6 Cơ chế sinh hóa của quá trình Anammox

14

Hình 2.7 Sơ đồ khoang tế bào vi khuẩn Anammox

15

Hình 3 Thí nghiệm khả năng xử lý ammonium của các chế phẩm............................29
Hình 4.1 Khuẩn lạc phân lập được

.34

Hình 4.2 Vi khuẩn Nitrosomonas quan sát dưới kính hiển vi vật kính X40, X100 35
Hình 4.3 Kết quả test sinh hóa

35

Sơ đồ 3 Các bước tiến hành đề tài nghiên cứu

22

xii

Chương 1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Vấn đề bảo vệ môi trường sống là vô cùng quan trọng. Bên cạnh nền văn minh
nhân loại đạt nhiều thành tựu kỳ diệu trong khoa học và kinh tế, chúng ta còn phải đối
mặt với những thách thức về suy thoái môi trường. Trong những năm gần đây, ở nước
ta, cùng với sự phát triển đa dạng của nền công nghiệp, tình hình ô nhiễm môi trường
gia tăng đến mức báo động. Mặt khác nước ta là một nước đông dân, có mật độ dân cư
cao, lượng chất thải sinh hoạt cũng bị thải ra môi trường ngày càng nhiều. Điều đó dẫn
tới sự ô nhiễm trầm trọng của môi trường sống, ảnh hưởng đến sức khỏe, đời sống của
nhân dân cũng như vẻ mỹ quan của khu vực. Trong đó, ô nhiễm nguồn nước là một
trong những thực trạng đáng ngại nhất của sự hủy hoại môi trường tự nhiên. Nước thải
sinh hoạt trong các khu dân cư hoặc từ các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp thường tồn
tại một lượng lớn nitơ, photpho… gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước.
Hiện tượng này làm biến đổi hệ sinh thái nước và làm tăng mức độ ô nhiễm không khí.
Biểu hiện phú dưỡng hóa là tảo nở hoa, sự kém đa dạng các sinh vật nước, đặc biệt là
cá, nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối làm mất vẻ mỹ quan đô thị và tác
động tiêu cực tới hoạt động sống của người dân. Các chất dinh dưỡng, đặc biệt trong
nước thải nitơ thường tồn tại ở các dạng nitơ hữu cơ dạng protein, ammonium, các
muối amôn như NH4OH, NH4NO3, (NH4)2SO4, hợp chất dưới dạng nitrit NO2-, nitrat
NO3- hay nitơ tự do... Do đó đặt ra nhu cầu tạo ra các chế phẩm sinh học có khả năng
xử lý ammonium trong nước thải để góp phần giúp môi trường sạch và phát triển bền
vững. Sử dụng chế phẩm vi sinh cho hiệu suất ổn định, không phức tạp, tốn kém thời
gian và công sức như các phương pháp hóa lý hay hóa học. Vì vậy tôi tiến hành nghiên
cứu sản xuất chế phẩm sinh học NitroAnammox từ vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có
khả năng nitrat hóa Nitrosomonas và vi khuẩn Anammox có khả năng oxy hóa N-NH4
trong điều kiện kỵ khí tự dưỡng.

1

1.1.

Yêu cầu của đề tài
Sản xuất thử nghiệm chế phẩm vi sinh NitroAnammox. Tạo ra chế phẩm vi sinh

có nước thải có nồng độ cao.
Thử nghiệm khả năng xử lý ammonium của chế phẩm vi sinh NitroAnammox
Kiểm tra mật độ vi sinh vật trong chế phẩm sau 30 ngày sản xuất.
1.2.

Nội dung nghiên cứu
Phân lập và tăng sinh số lượng vi khuẩn Nitrosomonas từ mô hình xử lý nước

thải chăn nuôi heo 10 l/ngày. Mô hình này sử dụng công nghệ xử lý có sự hiện diện của
hai nhóm vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox của học viên Nguyễn Huỳnh Tấn Long,
Viện Môi Trường và Tài Nguyên.
Thu nhận bùn chứa vi khuẩn Anammox từ đề tài: Nghiên cứu xử lý ammonium
trong nước thải nuôi heo bằng quá trình Anammox ở quy mô 20m3/ ngày của NCS Lê
Công Nhất Phương.
Lựa chọn phương pháp sấy thích hợp để thu chế phẩm vi sinh có hoạt tính cao.
Tiến hành thử nghiệm hoạt tính của chế phẩm vi sinh trên môi trường nước thải
nhân tạo.

2


Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên

Nitơ là một thành phần rất quan trọng trong sinh quyển, cuộc sống không thể
tồn tại nếu không có nitơ. Nitơ chiếm khoảng 78% thành phần của khí quyển. Nitơ là
thành phần cấu tạo nên acid amin, protein và DNA. Trong sinh quyển nitơ xuất hiện
dưới nhiều dạng tự do hay kết hợp (nitơ phân tử trong khí quyển, nitrit, nitrat,
ammonium, protein, acid amin…). Chu trình nitơ là chu trình mà trong đó nitơ phân tử
chuyển thành nitơ kết hợp qua các quá trình cố định nitơ sinh học, do tác dụng của điện
và cố định quang học.
Nguồn nitơ để tổng hợp các amino acid và protein được lấy từ đất và nước bởi
cây ở dạng nitrat. Cơ thể thực vật được động vật ăn và chúng dùng các amino acid từ
các protein của thực vật để tổng hợp nên amino acid, protein, nucleic acid và các hợp
chất nitơ khác của riêng mình. Những vi khuẩn hoại sinh sẽ biến đổi những hợp chất
nitơ đó thành ammonium khi các động vật hoặc thực vật chết. Các động vật cũng thải
ra nhiều loại chất thải chứa urê, acid uric, creatinin và ammonium. Các vi khuẩn phân
hủy biến đổi acid uric và urê thành ammonium. Những ammonium này được biến đổi
bởi các vi khuẩn nitrit sang nitrit và tiếp tục biến đổi thành nitrat nhờ các vi khuẩn
nitrat. Một số các ammonium được biến đổi sang nitơ không khí bởi các thành phần vi
khuẩn khử nitrat. Một số các ammonium được biến đổi sang nitơ không khí bởi các
thành phần vi khuẩn khử nitrat. Nitơ không khí đến lượt mình có thể được biến đổi
sang amino acid và các hợp chất nitơ hữu cơ khác bởi một số tảo và vi khuẩn đất
(Nguyễn Lân Dũng và ctv, 2003).
2.1.1. Quá trình nitrit hóa
Sau khi các sinh vật chết, vi sinh vật phân giải protein và nitơ hữu cơ chuyển
thành nitơ khoáng. Trong đất, chất hữu cơ trước hết được biến thành mùn và một phần
sẽ thành các dạng ammonium hay nitrit. Dưới tác động của các vi khuẩn hiếu khí
Nitrosomonas, ammonium được chuyển thành nitrit theo phương trình như sau:
1,34 NH4+ + 1,85 O2 + 2,66 HCO3-

1,32 NO2- + 3,94 H20 + 2,54 CO2 + 0,024

C5H7NO2 (2.1)

3


2.1.2. Quá trình nitrat hóa
Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra nếu như ngay từ đầu nitơ tồn tại dưới dạng
muối ammonium. Tốc độ chuyển đổi từ ammonium thành nitrat phụ thuộc vào hoạt
động của nhóm vi khuẩn có trong bùn hoạt tính hiếu khí (Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm
Minh Triết, 2005).
Sau khi nhóm vi sinh vật oxy hóa ammonium (AOB – Ammonium Oxydizing
Bacteria) oxy hóa ammonium thành nitrit, nhóm vi sinh vật oxy hóa nitrit (NOB –
Nitrit Oxydizing Bacteria) sẽ oxy hóa nitrit thành nitrat theo phương trình:
NO2- + 0,5 O2

NO3- + năng lượng (2.2)

Vi khuẩn oxy hóa nitrit thành nitrat bao gồm các giống Nitrobacter, Nitrosopina,
Nitrococcus và Nitrospira. Sự oxy hóa ammonium thành nitrit và sau đó thành nitrat là
quá trình sinh năng lượng. Vi sinh vật dùng năng lượng này để đồng hóa CO2. Nguồn
cacbon cần cho vi khuẩn nitrat hóa là CO2, HCO3-, CO32-. Sự hiện diện của oxy và
lượng kiềm là để trung hòa ion H+ trong quá trình oxy hóa sẽ tạo điều kiện thuận lợi
cho quá trình nitrat hóa.
2.1.3. Quá trình khử nitrat hóa
Giai đoạn khử nitrat thường đi kèm với quá trình đồng hóa nitơ để tế bào tăng
trưởng theo phương trình sau:
NO3- + 1,08 CH3OH + H+

0,065 C5H7NO2 + 0,47 N2 + 0,76 CO2 + 2,44 H2O (2.3)

Các vi sinh vật tham gia quá trình hô hấp nitrat phân bố rộng rãi trong tự nhiên,
điển hình là Pseudomonas denitrificans, Pseudomonas fluorescens,

Bacillus

licheniformis, Thiobacillus, Micrococus denitrificans. Đại đa số các vi sinh vật này là
sinh vật dị dưỡng, nghĩa là nó sử dụng nguồn cacbon có thành phần là hữu cơ để tiến
hành quá trình sinh tổng hợp tế bào của chúng (Tô Minh Châu và ctv, 1999).
Trong giai đoạn này, nitrat được khử thành nitrit rồi thành khí nitơ qua một số
sản phẩm trung gian:
NO3-

NO2-

NO

0,5 N20

0,5 N2 (2.4)

Chuỗi phản ứng này xảy ra trong điều kiện thiếu khí, cần sự hiện diện của các
hợp chất hữu cơ để cung cấp điện tử. Các hợp chất hữu cơ thường được sử dụng là
methanol, etanol, acetate, glucose,... bổ sung từ ngoài hoặc từ các hợp chất hữu cơ có
sẵn trong nước thải (Lê Văn Cát, 2007; McCarty và ctv, 1969).

4


2.2. Nước thải giàu ammonium
Nitơ thường tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau trong nước thải (từ -3
đến +5) do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. Trong đó, ammonium là nitơ dạng
khử có số oxy hóa thấp nhất (-3) nên chúng chỉ có khả năng cho điện tử và bị oxy hóa

lên các mức oxy hóa cao hơn. Ngược lại, nitơ trong nitrat là nitơ mang số oxy hóa cao
nhất (+5) nên chúng chỉ có thể nhận điện tử và bị khử xuống các mức oxy hóa thấp hơn.
Bảng 2.1 Các hợp chất chứa nitơ trong nước thải (Stein & Yung, 2003)
Hợp chất
Ammonium
Hydrazine
Diimine
Hydroxylamine
Dinitrogen
Nitrous oxide
Nitric oxide
Nitrit
Nitrogen dioxide
Nitrat

Công thức hóa học
NH3
H2N4
H2N2
NH2OH
N2
N2O
NO
NO2NO2
NO3-

Trạng thái oxy hóa
-3
-2
-1

-1
0
+1
+2
+3
+4
+5

Trong nước thải sinh hoạt hàm lượng ammonium chiếm tương đối thấp khoảng
12 - 50 mg/l trong số 20 - 85 mg/l nitơ tổng nhưng lưu lượng thải ra mỗi ngày lớn nên
lượng ammonium cũng đáng kể so với các loại nước thải khác. Trong nước thải công
nghiệp như chế biến thực phẩm, thuộc da, cao su, chăn nuôi heo... lượng nitơ chiếm
khá cao.
Bảng 2.2 Các nguồn phát sinh nitơ (Stijn Van Hulle, 2005)
Nguồn phát sinh
Nước thải chăn nuôi heo
Nước thải từ rò rỉ rác
Nước thải trong ngành thuộc da
Tinh bột
Pectine

Lượng nitơ tổng (mg/l)
3100 - 4300
500 - 1000
123 - 185
800 - 1100
1600

Như vậy, xử lý ammonium được xem như quá trình xử lý chính trong xử lý nước
thải chứa nitơ.

2.2.1. Nước thải chăn nuôi heo
Heo là loài vật nuôi có khả năng tận dụng tốt các phụ phẩm công nông nghiệp,
khả năng sinh sản cao, cho phân bón nhiều và tốt. Vì vậy chăn nuôi heo đã trở thành
nghề truyền thống của nông dân và là ngành chăn nuôi chủ yếu ở nước ta. Bên cạnh
5


những lợi ích mang lại cho nền kinh tế và đời sống người dân, hoạt động chăn nuôi
heo cũng gây ra những ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh khu vực chăn nuôi.
Việc tắm rửa, vệ sinh, dọn dẹp chuồng trại bằng nước sử dụng khá rộng rãi đã tạo ra
một lượng nước thải khá lớn chứa: phân, nước tiểu, nước vệ sinh chuồng trại... Đặc
trưng ô nhiễm của nước thải chăn nuôi heo là: ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm chất dinh
dưỡng (nitơ, photpho) và chứa nhiều loại vi khuẩn gây bệnh. Hàm lượng các chất gây
ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi heo dao động đáng kể phụ thuộc vào lượng nước
dùng để vệ sinh chuồng trại, phương thức thu gom phân trước khi tắm heo, qui mô của
cơ sở chăn nuôi… Thành phần nước thải chăn nuôi heo như sau:
Các chất hữu cơ và vô cơ: trong nước thải chăn nuôi heo, hợp chất hữu cơ chiếm
70 - 80% gồm protit, acid amin, chất béo, hydratecacbon và các dẫn xuất của chúng,
hầu hết là các chất hữu cơ dễ phân hủy. Các chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm muối,
urea, ammonium... Các hợp chất hoá học trong phân và nước thải dễ dàng bị phân huỷ.
Tùy điều kiện hiếm khí hay kỵ khí mà quá trình phân hủy tạo thành các sản phẩm khác
nhau như acid amin, acid béo, aldehide, CO2, H2O, NH3, H2S. Nếu quá trình phân hủy
có mặt oxy sản phẩm tạo thành sẽ là CO2, H2O, NO2, NO3. Nếu quá trình phân hủy
diễn ra trong điều kiện thiếu khí thì tạo thành các sản phẩm CH4, N2, NH3, H2S... Các
chất khí sinh ra do quá trình phân hủy kỵ khí và thiếu khí như NH3, H2S gây ra mùi hôi
thối trong khu vực nuôi ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí.
Nitơ và Photpho: khả năng hấp thụ nitơ và photpho của gia súc, gia cầm rất kém,
khi ăn thức ăn có chứa nitơ, photpho vào cơ thể, các thành phần này sẽ bị bài tiết theo
phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng nitơ và photpho
rất cao. Hàm lượng nitơ tổng trong nước thải của trại chăn nuôi heo đo được sau khi ra

bể Biogas từ 571 - 594 mg/l, photpho từ 13,8 - 62 mg/l. Nitơ bài tiết ra ngoài theo
nước tiểu và phân dưới dạng urê, sau đó urê bị thuỷ phân tạo thành cacbonate amôn và
sản phẩm lại nhanh chóng chuyển hoá thành ammoniac. Khi nước tiểu và phân bài tiết
ra ngoài, vi sinh vật sẽ tiết ra enzym ureaza chuyển hoá urê thành NH3, NH3 phát tán
vào không khí gây mùi hôi hoặc khuyếch tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước.
Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào: lượng urê trong nước tiểu, pH của nước
thải, điều kiện lưu trữ chất thải.

6


Vi sinh vật gây bệnh: nước thải chăn nuôi heo chứa nhiều loại vi trùng và trứng
ấu trùng, giun sán gây bệnh. Do đó, loại nước thải này có nguy cơ trở thành nguyên
nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc, gia cầm đồng thời lây lan một số
bệnh cho người nếu không được xử lý.
Theo nghiên cứu của Nanxera đối với nước thải chăn nuôi: vi trùng gây bệnh
đóng dấu (Erisipelothris Insidiosa) có thể tồn tại 92 ngày, Brucella từ 74 - 108 ngày,
Samolnella từ 6 - 7 tháng, Leptospira 5 - 6 tháng, Microbacteria tuberculosis 75 - 150
ngày, virus lở mồm long móng sống trong nước thải 100 - 120 ngày, các loại vi trùng
có nha bào như: Bacillus Tetani 3 - 4 năm. Trứng giun sán nhiều trong nước thải chăn
nuôi với nhiều loại điển hình như: Fasciolahepatica, Fasciola Gigantica, Fasciolosis
Buski, Ascaris Suum, Oesophagostomum Sp, Trichocephalus Dentatus… có thể phát
triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6 - 28 ngày và tồn tại 5 - 6 tháng.
2.2.2. Nước thải lò mổ
Nước thải của các cơ sở giết mổ có nồng độ chất rắn cao, BOD và COD khá cao
và luôn luôn chứa một lượng lớn các chất hữu cơ bao gồm các hợp chất của cacbon,
nitơ, photpho. Các hợp chất này làm tăng độ phì của nước đồng thời dễ bị phân hủy
bởi các vi sinh vật gây mùi hôi thối làm ô nhiễm nguồn nước.
Ngoài ra ngành giết mổ là một ngành đòi hỏi rất nhiều nước, hầu như các công
đoạn xử lý nguyên liệu đều có nhu cầu dùng nước như: khâu rửa sơ bộ nguyên liệu,

khâu xử lý nguyên liệu, khâu chế biến…Nước thải lò mổ còn chứa chất dinh dưỡng
như protein, khi diamin hóa tạo ra NH3 vì thế nước thải lò mổ cần được nitrit hóa.
2.3. Phương pháp xử lý nước thải có chứa ammonium
Hiện nay có hai phương pháp chính trong xử lý nước thải có chứa ammonium
cao đó là phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học.
2.3.1. Phương pháp hóa lý
Phương pháp hóa lý bao gồm các phương pháp hóa học (khử bằng clo, keo tụ hóa
học, hấp thụ than hoạt tính, trao đổi ion...) và các phương pháp vật lý (lọc, điện ly,
thẩm thấu ngược...).

7


Bảng 2.3 Hiệu suất các quá trình hóa lý trong xử lý nitơ (Metcalf và Eddy, 1991)
Các phương pháp

hóa

học và vật lý

Các hợp chất chứa nitơ
Nitơ hữu cơ

NH3/NH4 +

Hiệu quả xử
NO3-

lý (%)

Đuổi khí nâng pH

0

60 - 95%

0

50 - 90%

Điện ly

100%

30 - 50%

30 - 50%

40 - 50%

Thẩm thấu ngược

60 - 90%

60 - 90%

60 - 90%

80 - 90%

Khử bằng Clo

55 - 80%

90 - 100%

0

80 - 95%

Tủa bằng hóa chất

50 – 70%

ít

ít

20 - 30%

Hấp thụ bằng than hoạt tính

30 – 50%

ít

ít

20%

Bảng trên đã liệt kê các quá trình hóa lý trong xử lý nitơ kèm theo hiệu suất của
từng quá trình. Tuy nhiên, các quá trình trên được áp dụng rất hạn chế do hiệu suất
không ổn định, có nhiều vấn đề khi vận hành và duy trì hệ thống, đồng thời chi phí rất
tốn kém. Mặt khác, các quá trình hóa lý thường có công suất xử lý hay quy mô hệ
thống xử lý nhỏ (Szatkawska, 2007). Ngoài ra các quá trình hóa lý có thể gây ô nhiễm
thứ cấp.
2.3.2. Phương pháp sinh học
Các phương pháp sinh học thường được ưa chuộng do vừa đáp ứng được nhu
cầu xử lý, vừa rẻ tiền. Phương pháp thông thường để loại bỏ nitơ khỏi nước thải bắt
đầu bằng quá trình nitơ hoá sinh học. Đây là một quá trình hai bước, bắt đầu bằng
ammoium được chuyển thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó nitrit bị oxy
hoá thành nitrat do vi khuẩn Nitrobacter. Ngày nay, ngoài phương pháp truyền thống
gồm hai quá trình đồng hóa, quá trình nitrat hóa - khử nitrat còn có phương pháp sinh
học xử lý ammonium mới đó là quá trình Anammox.
2.4.

Giới thiệu về vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox
Các vi khuẩn oxy hóa ammonium (Ammonium Oxydizing Bacteria - AOB)

thường tham gia vào quá trình nitrit hóa, chủ yếu gồm chi Nitrosomonas, Nitrosospria,
nitrosolobus, Nitrosovibrio... Tham gia phản ứng oxy hóa nitrit thành nitrat trong giai
đoạn nitrat hóa chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococus,
Nitrosira (Nitrit Oxydizing Bacteria - NOB). AOB và NOB khác nhau về dinh dưỡng,
tăng trưởng, do đó có thể sử dụng sự khác biệt này để chọn lọc vi khuẩn theo ưu thế
8


cạnh tranh. Ví dụ, tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của AOB nhỏ hơn NOB ở nhiệt độ
thấp, nhưng hệ số Van’t Hoff lại lớn hơn, nên ở khoảng nhiệt độ trên 280C, NOB có ái
lực oxy thấp hơn so với các AOB nên khi ở điều kiện oxy hạn chế, AOB sẽ chiếm ưu

thế hơn so với NOB (Jubany, 2007).
2.4.1. Nhóm vi khuẩn Nitrosomonas
2.4.1.1. Hình dạng
Nitrosomonas có hình cầu hoặc hình bầu dục ngắn, đứng riêng lẻ, thành từng
đôi hay dạng chuỗi, Gram âm, không sinh bào tử, động được bằng tiên mao dài.
2.4.1.2. Phân loại
Giới: Vi sinh
Ngành: Proteobacteria
Lớp: Beta Proteobacteria
Bộ: Nitrosomonadales
Họ: Nitrosomonadaceae

Hình 2.1 Vi khu n Nitrosomonas
(Michelle Gradley, 2009).
Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu và xác định được 10 loài của nhóm vi

Giống: Nitrosomonas

khuẩn Nitrosomonas bao gồm: N.europaea, N.eutropha, N.halophila, N.communis,
N.marina, N.aestuarii, N.nitrosa, N.ureae, N.oligotropha, N.cryotolerans.
2.4.1.3. Môi trường sống
Vi khuẩn Nitrosomonas sống trong môi trường nước và bám vào các bề mặt của
hồ hay máy lọc. Nhiệt độ phát triển là 5 - 300C, pH thích hợp là 5,8 - 8,5.
2.4.1.4. Cấu trúc tế bào
Những loài ở biển được bao bọc thêm một lớp protein ở ngoài, màng tế bào chất
bên trong như túi khí ở phần giữa tế bào chất. Một vài loài nhưng không phải tất cả các
loài có thể sử dụng được urê như nguồn ammonium. Dinh dưỡng hóa năng vô cơ bắt
buộc, oxy hóa NH4+ thành NO2-, dùng quá trình cố định CO2 để thõa mãn nhu cầu về
năng lượng và về nguồn thức ăn cacbon vô cơ. Hợp chất cacbon có thể đồng hóa ở một
giới hạn và có thể gây kích thích cho tế bào tự dưỡng phát triển. Lượng G + X chứa

trong DNA vào khoảng 47,4 - 51% phân tử.

9


2.4.1.5. Cơ chế hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas
Đầu tiên ammonium được thủy phân thành hydroxylamine (NH2OH) nhờ enzym
AMO (ammonium monooxygenase). Sau đó hydroxylamine được oxy hóa thành nitrit
nhờ enzym HAO (hydroxylamine oxydoreductase). Phương trình phản ứng (2.5) và
(2.6) miêu tả hai phần nhỏ của quá trình oxy hóa ammonium thành hydroxylamine, và
phản ứng chung của quá trình này được thế hiện qua phương trình (2.7).
Hydroxylamine được oxy hóa không cần oxy (2.8) sẽ tạo ra 4 điện tử, trong đó 2 điện
tử sẽ được chuyển cho phản ứng (2.6), các điện tử còn lại sẽ dùng cho chuỗi hô hấp
(2.9). Tổng quát quá trình oxy hóa hydroxylamine thể hiện qua (2.10).
NH3 + 0.5 O2 → NH2OH

∆G0’ = +17 kJ /mol

(2.5)

0.5 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

∆G0’ = -137 kJ /mol

(2.6)

NH3 + O2 + 2H+ + 2e- → NH2OH + H2O

∆G0’ = -120 kJ /mol

(2.7)

NH2OH + H2O → HNO2 + 4H+ + 4e-

∆G0’ = +23 kJ /mol

(2.8)

0.5 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

∆G0’ = -137 kJ /mol

(2.9)

NH2OH + 0.5 O2 → HNO2 + 2e- + 2H+

∆G0’ = -114 kJ /mol

(2.10)

Tóm lại, vi khuẩn Nitrosomonas loại bỏ ion hydrogen (H+) và thay thế với
phân tử oxy (O2), tạo thành nitrit (NO2) (W. Wallace và D.J.D.Nicholas, 1969).

Hình 2.3 Cơ chế hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas (Timothy Paustian, 2000).
10


2.4.2. Nhóm vi khuẩn Anammox
2.4.2.1. Lịch sử phát hiện
Năm 1995, một phản ứng chuyển hoá nitơ mới về cả lý thuyết và thực nghiệm

đã được phát hiện (Phạm Khắc Liệu và ctv, 2005; Van de Graaf và ctv, 1995). Đó là
sự tồn tại của các vi khuẩn Anammox tự động hoá năng có khả năng oxy hoá
ammonium bởi nitrat, nitrit trong điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để
tạo thành nitơ phân tử và thậm chí về mặt năng lượng còn dễ xảy ra hơn sự oxy hoá bởi
oxy phân tử.
Mãi mười bảy năm sau đó, phản ứng Anammox mới được phát hiện ở một bể
khử nitrat xử lý nước lắng của một bể phân hủy bùn tại Gist-brocades. Qua theo dõi
cân bằng nitơ, sự giảm đồng thời nồng độ ammonium và nồng độ nitrat, nitrit cùng sự
tạo thành nitơ phân tử ở điều kiện kỵ khí đã được phát hiện (Strous và ctv, 1997).
Lúc này, các nhà khoa học thuộc đại học kĩ thuật Delft tiến hành các mô tả và
xác nhận quá trình Anammox. Quá trình Anammox được xác định có bản chất là quá
trình sinh học mà trong đó ammonium được oxy hoá dưới điều kiện kỵ khí với nitrit là
phần tử nhận điện tử, tạo thành nitơ phân tử. Phản ứng Anammox đã được chứng minh
chiếm 50% vai trò trong việc tạo khí nitơ trong trầm tích biển Ban tích, trong vùng
nước thiếu khí dưới đáy Đại dương ở Costa-Rica (Dalsgaard và ctv, 2003).
Sự phát hiện phản ứng Anammox thật sự đã mở ra hướng phát triển kỹ thuật
xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao và chất hữu cơ thấp.
Quá trình xử lý trên cơ sở kết hợp nitrit hóa - Anammox có nhiều ưu điểm hơn xử lý
bằng nitrat hóa - khử nitrat, làm giảm đáng kể chi phí xử lý (Jetten và ctv, 2001).
2.4.2.2. Định danh và phân loại vi khuẩn Anammox
Vi khuẩn Anammox là những thành viên tạo thành nhánh sâu của ngành
Planctomycetes, bộ Planctomycetales. Cho đến nay, đã có 3 chi của nhóm vi khuẩn này
được phát hiện đó là: Brocadia, Kuenenia và Scalindua, Anammoxoglobus.
Nhóm vi khuẩn Candidatus Brocadia Anammoxydans thuộc phân nhánh
Planctomycete sâu được phát hiện đầu tiên trong bùn kỵ khí được nuôi cấy làm giàu
bằng phương pháp mẻ liên tục. Sau đó, nhóm vi khuẩn Kuenenia Stuttgartiensis được
các nhà nghiên cứu Hà Lan phát hiện. Vi khuẩn này là nguyên thủy của nhóm vi khuẩn
Anammox có khả năng chuyển hóa ammonium thành khí nitơ.

11

Hình 2.4 Vi khu n Anammox d
i
kính hi n vi X1000 (Konrad và ctv,
Vào những năm cuối thế kỉ XX, đầu
thế kỉ XXI, các nhà nghiên cứu đã phát hiện
2001).
ra vi khuẩn Anammox ở nhiều nơi. Vi khuẩn Anammox thuộc chi mới được phát hiện
đầu tiên trong hệ sinh thái tự nhiên ở vùng nước nghèo oxy ở biển Đen và đã được đặt
tên Candidatus Scanlindua sorokinii (Kuypers và ctv, 2003). Đồng thời, việc giải mã
gen của vi khuẩn K. stuttgartiensis cho phép nhận dạng các gen tạo ra quá trình oxy
hóa của vi khuẩn Anammox và tìm hiểu về khả năng chuyển hóa của chúng. Ở Nhật
Bản, tại phòng thí nghiệm thuộc đại học Kumamoto, các nhà nghiên cứu đã phát hiện
ra phản ứng Anammox với dấu hiệu đỏ đặc trưng trong quá trình nuôi cấy liên tục ở
điều kiện kỵ khí, với vật liệu bám là một dạng polyester. Ở Đức, Thụy Sĩ, Bỉ, vi khuẩn
Anammox được phát hiện ra trong hệ thống xử lý RBC được đặt tên là Candidatus
Kuenenia Sttugartiensis. Ở Anh, từ đĩa quay sinh học nitrat hoá tại một nhà máy xử lý
nước thải ở Pisea, loài Anammoxydans được phát hiện và đặt tên là Candidatus.
Tuy các vi khuẩn Anammox sinh trưởng rất chậm, việc nuôi cấy và phân lập còn
gặp nhiều khó khăn nhưng nhờ vào kỹ thuật phân tử, việc phát hiện trực tiếp và định
danh các vi khuẩn Anammox đã được thực hiện thuận lợi.
Giữa các chi Anammox mới phát hiện và chi Anammox đã được định danh có
mối quan hệ với nhau và quan hệ với các chi khác trong bộ Planctomycetales, điều này
đã được thể hiện thông qua cây phát sinh loài của các vi khuẩn Anammox.

12


Hình 2.5 Sơ đồ cây phát sinh loài của các vi khuẩn Anammox (J. G. Kuenen, 2001).

2.4.2.3. Một số đặc điểm sinh lý
Vi khuẩn Anammox hoạt động ở nhiệt độ từ 20 đến 430C (tối ưu ở 400C) và pH trong
khoảng 6,4 - 8,3 (tối ưu pH 8.0). Ái lực với các chất amonium và nitrit rất cao (hằng số
ái lực dưới 10mM) (Egli, 2003). Vi khuẩn Anammox sinh trưởng chậm (thời gian nhân
đôi khoảng 7- 10 ngày) (Strous, 1999) và phân hóa rất chậm, cứ 2 đến 3 tuần 1 lần, tức
1 năm 15 lần. Có khả năng tương tác với các nhóm vi khuẩn khác kể cả nhóm vi khuẩn
hiếu khí do tính ức chế thuận nghịch khi có mặt oxy (Strous, 1997). Ở điều kiện tối ưu,
tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng cực đại là 55 mol NH4-N/g protein/phút.
2.4.2.4. Cơ chế hóa sinh của quá trình Anammox
Bằng cách sử dụng phương pháp đồng vị đánh dấu (15N), cơ chế sinh hoá của vi
khuẩn Anammox được đề nghị và thừa nhận như sau: vi khuẩn Anammox khử nitrit
thành hydroxylamine. Hydroxylamine và ammonium được cô đặc thành hydrazin và
nước. Sau đó, hydrazin bị oxy hoá thành khí nitơ và những electron được sử dụng để
khử phân tử nitrit tiếp theo. Trong quá trình chuyển hoá trên có sự tham gia của một số
enzyme sau:

13