NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NUỚC THẢI SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU – CÔNG TY SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU KHẢI HOÀN BẰNG QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA BÁN PHẦN/ANAMMOX

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
**********

LÊ QUANG VINH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NITƠ TRONG NUỚC THẢI SẢN XUẤT
GĂNG TAY CAO SU – CÔNG TY SẢN XUẤT GĂNG TAY CAO SU
KHẢI HOÀN BẰNG QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA BÁN
PHẦN/ANAMMOX

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 7/2010

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin được gửi lời chân thành cảm ơn đến những người đã có rất nhiều giúp đỡ cho tôi
để có thể hoàn thành đề tài này:
 ThầyLê Công Nhất Phuơng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo về kiến thức và kinh
nghiệm trong suốt thời gian tiến hành đề tài để có thể tiến hành hoàn thành đề tài.
 Phòng thí nghiệm thuộc viện sinh học nhiệt đới đã tạo điều kiện để tôi có thể tiến hành
thí nghiệm với các dụng cụ cần thiết.
 Những thành viên trong lớp DH06MT đã đóng góp những kiến thức và kinh nghiệm
cần thiết cho quá trình tiến hành đề tài.
 Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các anh chị làm việc tại phòng thí nghiệm đã
tạo điều kiện thuận lợi và chia sẽ khó khăn trong lúc thực hiện đề tài.

Do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế nên đề tài không thể tránh
nhiều sai sót không đáng có. Rất mong nhận được sự góp ý quý giá của quý thầy cô và bạn bè
để đề tài có thể hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
Mục lục
Trang
LỜI CẢM ƠN................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC ........................................................................ ix
Chương 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
Chương 2. TỔNG QUAN................................................................................. 3
2.1 Tổng quan về nước thải cao su ......................................................... 3
2.1.1 Thành phần, tính chất mủ cao su ....................................................................... 3
2.1.2 Giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải cao su trên thế giới ..................... 4
2.1.3 Thống kê về công nghệ xử lý nước thải tại một số công ty cao su ViệtNam ... 6
2.2 Giới thiệu về công ty Khải Hoàn .......................................................................... 9
2.3 Phương pháp xử lý nước thải chứa ammoni ......................................................... 10
Chương 3. MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 36
3.1 Vật liệu và mô hình .............................................................................................. 36
3.1.1 Chất nền ............................................................................................................. 36
3.1.2 Mô hình và thiết bị ............................................................................................ 36
3.2 Vận hành hệ thống ................................................................................................ 38

3.3 Phương pháp phân tích ......................................................................................... 39
3.4 Quy trình thực nghiệm .......................................................................................... 39
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 40
4.1 Thí nghiệm 1:thí nghiệm với lưu lượng 10l/ ngày ............................................... 40
4.1.1 Chỉ tiêu pH ........................................................................................................ 41
4.1.2 Chỉ tiêu amoni (N-NH4) .................................................................................... 42
4.1.3 Chỉ tiêu COD ..................................................................................................... 42
4.2 Thí nghiệm 2: kết quả thí nghiệm với lưu lượng 15l/ ngày .................................. 43
4.2.1 Chỉ tiêu pH ........................................................................................................ 43
4.2.2 Chỉ tiêu amoni (N-NH4) .................................................................................... 44
4.2.3 Chỉ tiêu COD ..................................................................................................... 45

Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 48
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 1

iii


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Con đường chuyển hóa của quá trình nitrát hóa – khử nitrát

16

Hình 2.2 Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ

16

Hình 2.3Vi khuẩn Nitrosomonas

17

Hình 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của vi khuẩn oxy hóa ammonium 19
Hình 2.5 Cấu trúc vi khuẩn Anammox

22

Hình 2.6 Hình thái học của tế bào Anammox và cơ chế sinh hóa của quá trình

24

Hình 2.7 Sinh khối của vi khuẩn Anammox

24

Hình 2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH đến hoạt động của vi khuẩn Anammox

25

Hình 2.9 Lớp màng sinh học trong quá trình Canon

31

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Thành phần hoá học và vật lý của cây cao su Việt Nam

3

Bảng 2.1 Thống kê về công nghệ xử lý nước thải tại một số công ty cao su Việt Nam

6

Bảng 2.2 Hiệu suất các quá trình hóa lý xử lý nitơ

12

Bảng 2.3 Các chất ức chế vi khuẩn nitrat hóa

21

Bảng 2.4 Các thông số của vi sinh vật oxy hóa N-NH4 hiếu khí và kỵ khí

27

Bảng 2.5 Những ưu điểm và hạn chế khi áp dụng quá trình Anammox

28

Bảng 3.1 Đặc trưng của nước thải lấy về từ nhà máy

36

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TKN : Tổng số Kjeldahl Nitơ hay Tồng nitơ hữu cơ
AMO

Ammonium monooxygenase
Enzyme oxy hóa ammonium (vi khuẩn Nitrosomonas)

Anammox

Anaerobic ammonium oxidation
Quá trình oxy hóa ammonium kỵ khí

AnAOB

Anaerobic oxidizing bacteria
Vi khuẩn oxy hóa kỵ khí

AOB

Ammonium oxidizing bacteria
Vi khuẩn oxy hóa ammonium

CANON

Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite
Quá trình loại nitơ hoàn toàn tự dưỡng thông qua nitrit

COD

Chemical oxygen demand
Nhu cầu oxy hóa học

Demon

Deammonification
Hệ thống loại ammonium

DO

Dissolved oxygen
Oxy hòa tan

HAO

Hydroxylamine oxidoreductase
Enzyme oxy hóa hydroxylamine (vi khuẩn Nitrosomonas)

HH

Hydrazine hydrolase
Enzyme tạo hydrazine (vi khuẩn Anammox)
vi


HRT

Hydraulic retention time
Thời gian lưu nước

HZO

Hydrazine oxidizing enzyme
Enzyme oxy hóa hydrazine (vi khuẩn Anammox)

NIR (NR)

Nitrite reductase
Enzyme khử nitrit (vi khuẩn Anammox)

NOB

Nitrit Oxydizing Bacteria
Vi khuẩn oxy hóa nitrit

OLAND

Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification Denitrfication
Nitrát hóa-Khử nitrát tự dưỡng trong điều kiện ôxy hạn chế

RBC

Rotating biological contactor
Đĩa quay sinh học

SBNR

Short-cut biological nitrogen removal
Loại nitơ bằng đi tắt sinh học

SBR

Sequencing batch reactor
Thiết bị hoạt động theo mẻ

SHARON

Single reactor system for High activity Ammonia Removal Over
Nitrite
Loại ammonium tốc độ cao một bậc thông qua nitrite

SNAP

Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial
nitritation
Loại nitơ một bậc bằng cách áp dụng quá trình Anammox và quá
vii


trình nitrít hóa bán phần
SRT

Sludge retention time
Thời gian lưu bùn

SS

Suspended solids
Chất rắn lơ lửng

UASB

Upflow anaerobic sludge blanket
Bể kỵ khí có lớp bùn chảy ngược

VSS

Volatile suspended solids
Chất rắn bay hơi

viii


DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục I Phương pháp đo dùng trong thí nghiệm
Phụ lục II mô hình thí nghiệm
Phụ lục III Tình hình nghiên cứu và ứng dụng quá trình Anammox
Phụ lục IV Bảng kết quả chạy mô hình

ix


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Tính cần thiết của đề tài
Với nhu cầu ngày càng tăng cũa thị trường thì quy mô sản xuất găng tay y tế cũng
tăng theo. Bên cạnh lợi ích mang lại thì việc sản xuất găng tay cũng gây ra những vấn
đề đáng quan tâm về môi trường.nước thải của quá trình sản xuất mang đặc trưng của
nước thải cao su với nồng độ amoni khá cao, COD khá thấp, rất khó xử lý.
Hiện nay đã có rất nhiều công trình xử lý nước thải cao su. tuy nhiên với chi phí
xây dựng HTXL nước thải kiểu cũ tương đối cao, chiếm nhiều diện tích gây ảnh
hưởng đến chi phi thành phẩm, từ đó đã có rất nhiều nghiên cứu để đưa ra mô hình

XLNT đạt hiệu xuất cao chi phí vận hành tương đối thấp. Và công nghệ Anamox đã
được chú ý, là mục tiêu nghiên cứu của các nhà môi trường
1.2. Ý nghĩa khoa học, tính thực tiễn của luận văn
 Nội dung nghiên cứu trong luận văn không chỉ áp dụng để xử lý nước thải Công
ty sản xuất găng tay cao su mà còn tìm hiểu đặc tính và phương pháp phù hợp xử lý
loại nước thải có hảm lượng amoni cao và COD thấp. Do sự hạn chế về thời gian nên
Luận văn và điều kiện thí nghiệm chỉ giới hạn trong tìm hiểu về nước thải của sản
xuất găng tay cao su.
 Quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn được thực hiện trực tiếp trên nước
thải nhân tao với các chỉ tiêu tương ứng với nước thải tại công ty Khải hoàn bằng mô
hình tại phòng thí nghiệm tại Viện sinh học nhiệt đới nên luận văn có tính thực tế và sự
phù hợp.
 Việc phân tích các chỉ tiêu được thực hiện bằng các phương pháp tiêu chuẩn và
có sự theo dõi của cán bộ hướng dẫn nên có độ tin cậy cao.
1.3. Mục đích và nội dung luận văn
1.3.1. Mục đích
 Xác định khả năng xử lý amoni của nước thải sản xuất găng tay
1


 Xác định các điều kiện để đạt được hiệu quả cao nhất trong quá trình xử lý.
1.3.2. Nội dung
 Tiến hành xây dựng mô hình, lấy mẫu tại công ty sản xuất, pha mẫu nhân tạo
với các thông số như mẫu thực
 Tiến hành thu mẫu từ mô hình mỗi ngày, phân tích các chỉ tiêu.
 Xác định hiệu quả xử lý nitơ tối đa mà mô hình có thể xử lý.
1.4. Giới hạn của đề tài
 Chỉ tiến hành được với nước thải của quá trình sản xuất găng tay cao su .
 Kết quả được thu từ mô hình nghiên cứu vận hành tại viện sinh học nhiệt đới.
 Chỉ nghiên cứu với các chỉ tiêu phân tích : pH, COD, NH4+ , NO2- , NO3-

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về nước thải cao su
2.1.1 Thành phần, tính chất mủ cao su:
2.1.1.1 Thành phần hóa học của mủ cao su
Mủ từ cây cao su Heveabrasiliensis là một huyền phù thể keo, chứa khoảng 35% cao
su. Cao su này là một Hydrocacbon có cấu tạo hoá học là 1, 4 – sis –polyisopren, có mặt
trong mủ cao su dưới dạng các hạt nhỏ được bao phủ bởi một lớp các phospholipid và
protein. Kích thước các hạt nằm trong khoảng 0,02µm đến 0,2µm. Nước chiếm khoảng
60% trong mủ cao su và khoảng 5% còn lại là những thành phần khác của mủ, gồm có
khoảng 0,7% là chất koáng và khoảng 4,3% là chất hữu cơ.
Mủ cao su là hỗn hợp các cấu tử cao su nằm lơ lửng trong dung dịch gọi là nhũ
thanh hoặc serium. Hạt cao su hình cầu có đường kính d < 0,5 µm chuyễn động hỗn loạn
(chuyễn động Brown) trong dung dịch. Thông thường 1 gram mủ có khoảng 7,4.1012 hạt
cao su, bao quanh các hạt này là các protein giữ cho latex ở trạng thái ổn định.
Cấu trúc hoá học của cao su tự nhiên (cis-1,4-polyisoprene):
CH2C = CHCH2 – CH2C = CHCH2 = CH2C = CHCH2

CH3

CH3

CH3

Bảng 1: Thành phần hoá học và vật lý của cây cao su Việt Nam
Thành phần

Phần trăm (%)

Cao su

28 – 40

Protein

2,0 – 2,7

Đường

1,0 – 2,0

Muối khoáng

0,5
3


Lipit

0,2 – 0,5

Nước

55 – 65

Mật độ cao su

0,932 – 0,952

Mật độ serium

1,031 – 1,035

Tất cả các thông số được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm trọng lượng ướt. Trọng
lượng riêng tấn/m3.
2.1.1.2 Tính chất vật lý
-

Ở nhiệt độ thấp, cao su thiên nhiên có cấu trúc tinh thể. CSTN kết tinh với vận tốc
nhanh nhất ở 25 oC. CSTN tinh thể nóng chảy ở 40 oC.

-

Khối lượng riêng: 913 kg/cm³

-

Nhiệt độ hóa thủy tinh (Tg): -70 oC

-

Hệ số dãn nở thể tích: 656.10-4 dm³/oC

-

Nhiệt dẫn riêng: 0,14 w/m oK

-

Nhiệt dung riêng: 1,88 kJ/kg oK

-

Nửa chu kỳ kết tinh ở -25oC: 2÷4 giờ

-

Thẩm thấu điện môi @1000Hz/s: 2,4÷2,7

-

Tang của góc tổn thất điện môi: 1,6.10-3

-

Điện trở riêng:

+ Crếp trắng: 5.1012
+ Crếp hong khói: 3.1012
2.1.2 Giới thiệu một số công nghệ xử lý nước thải cao su trên thế giới

 Nhà máy RPISL pilot factory: sản phẩm sản xuất đế giày, COD 4000mg/l, tải trọng
20m 3 / ngày.
4

Bể kỵ khí

Lắng

Bùn hoạt

Lọc cát

 Hoạt động: bình thường, đầu tư thấp, chi phí vận hành thấp.
 Ưu điểm: tải trọng phân hủy hữu cơ cao, thu hồi năng lượng, sinh ra ít bùn
 Nhược điểm: sinh ra mùi hơi, khó vận hành do mức độ cố định vi sinh thấp, mật độ vi
sinh chưa cao, bị rửa trơi nhiều.
 Nhà máy Hanwell:sản phẩm tổng hợp, COD 2000–4000mg/l, tải trọng 50m3/ngày

Mương oxi

Lắng

Lọc cát

 Mương oxi hóa: là mương dẫn dạng vòng có sục khí để tạo dòng chảy trong mương đủ
xáo trộn bùn hoạt tính.
 Ưu điểm: Mương oxi hóa có thể kết hợp để xử lý nitơ và khử COD. Hiệu qủa xử lý 70 90% COD
 Khuyết điểm: hệ thống hoạt động tốt nhiều năng lượng, chi phí vận hành cao. Hệ thống
hoạt động khơng ổn định, khả năng chịu sốc tải thấp nên khơng phù hợp với điều kiện xử lý
nước thải cao su Việt Nam. Đòi hỏi cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng. Mặt bằng cơng trình
lớn và thiết bị đắt tiền.
 Nhà máy Kiriporuwa:sản phẩm đế giày,COD 4000 mg/l,tải trọng 400 m3/ngày

Bể kỵ khí

Bùn hoạt

Bể lắng

Bể lọc cát

 Hiệu quả xử lý tốt, chi phí đầu tư trung bình.
 Nhà máy Eheliyagoda: sản phẩm đế giày, COD 2000 – 4000 mg/l.

Bể kỵ khí

Bể lắng

Hồ hiếu khí

Bể lọc cát

 Hiệu qủa xử lý: kém. Chi phí đầu tư cao.
2.1.3 Thống kê cơng nghệ xử lý nước thải tại một số cơng ty cao su Việt Nam
Trong nước các nhà máy chế biến cao su trong nước đã áp dụng nhiều biện pháp xử
5


lý khác nhau: bể sục khí, hồ ổn định, bể tuyển nổi, bể kỵ khí lớp bùn lơ lửng, bể làm
thoáng, bể lọc sinh học và kết hợp.
Bảng 2.1:Thống kê công nghệ xử lý nước thải tại một số công ty cao su Việt Nam
STT

Tên nhà máy

Hệ thống công nghệ

1

Lộc Ninh

Bể gạn mủ – Bể tuyển nổi – Bể luân phiên

2

Suối rạt

3

Phước Bình

4

Bố lá

Bể tuyển nổi–Bể gạn mủ –Hồ kỵ khí –Hồ tuỳ chọn –Hồ lắng

5

Cua Pari

Bể gạn mủ –Bể điều hòa –Hồ kỵ khí –Hồ tùy chọn – Hồ lắng

6

Dầu Tiếng

7

Bến Súc

Bể gạn mủ–bể tuyển nổi –Hồ sục khí –hồ tùy nghi –Hồ lắng.

8

Tân biên

Bể gạn mủ – Bể tuyển nổi – UASB – Bể sục khí – Bể lắng –
Hồ ổn định

9

Vên vên

BỂ gạn mủ – Bể kỵ khí tiếp xúc – bể tiếp xúc – Bể lắng

10

Bến củi

Bể gạn mủ – Hồ kỵ khí – hồ tùy chọn – Hồ lắng -

11

Hàng Gòn

Bể gạn mủ – Hồ kỵ khí – Hồ tùy chọn – Hồ lắng

12

Cẩm Mỹ

Bể gạn mủ – bể điều hòa – bể thổi khí – bể lắng

13

Hòa Bình

Bể gạn mủ – Bể điều hòa – Bể tuyển nổi – Bể thổi khí – bể lọc
sinh học – bể lắng – bể lọc sinh học 2 – Bể lắng

14

Xà Bang

Bể gạn mủ – Bể tuyển nổi – hồ sục khí – hồ lắng – bể lọc sinh
học – hồ chứa

Bể gạn mủ – Hồ Kỵ khí –Hồ sục khí –Hồ tùy chọn – Hồ lắng
Bể gạn mủ - Hồ Kỵ khí – Hồ sục khí - Hồ lắng

Bể gạn mủ – hồ sục khí – Hồ lắng

 Các công nghệ xử lý nước thải cao su phổ biến tại VN và ưu nhược điểm

 1.Nhà máy cao su Phú Riềng

6


Bể pha
xút
Song
chắn rác

Bể lắng
cát

Bể điểu
hoà

Trạm
bơm

Bể tuyển
nổi

Bể trộn
vách ngăn

Hồ thổi
khí

Bể UASB

Hồ lắng
Ngăn
chứa rác

Ngăn
chứa cát

Trạm
khí nén

Trạm
thu khí

 Ưu điểm:
-Số cơng trình đơn vị khơng q nhiều và phức tạp.
-Thích hợp cho cơng trình xử lý nuớc thải từ sản xuất mủ tạp vì ở đó có nhiều cát và
chất rắn, cần dung song chắn rác.
-Tận dụng được nguồn khí từ UASB vào việc chạy các nồi hơi hay các việc khác.
-Nước thải ra đã được trung hồ và gan sạch mủ.
 Nhựợc điểm:
-Chỉ thích hợp cho nhà máy cao su sản xuất mủ tạp vì lượng N, P và BOD khơng
q cao như mủ nước.
-Khơng có Aerotank, chưa xử lý được hồn tồn BOD và COD triệt để.
-Với đặc thù nuớc thải cao su mang tính ơ nhiễm hữu cơ cao bởi nồng độ N và P,
cơng trình này chưa đủ khả năng đưa nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B.

7




Nhà máy cao su Lộc Ninh

Nước thải

Bể gạn
mủ

Bể gom

Bùn khô làm Máy ép
phân bón
bùn

Bể tuyển
nổi

Bể nén
bùn

Bể chứa
bùn

Bể điều
hoà

Bể lắng
2

Bể

UASB

Aerotant

Hồ hoàn
thiện
Sông

 Ưu điểm:
-Dùng xử lý sinh học, kết hợp cả UASB và Aerotank, xử lý BOD, COD, N và P tốt
nhờ VSV.
-Tận dụng được lựơng mủ để tuần hồn, tiết kiệm.
-Phù hợp cho xử lý nứơc thải từ sản xuất cao su tạp.
-Lượng bùn được nén ép và tận dụng làm phân bón, làm sạch mơi trường.
-Thiết kế đơn giản, ít tốn kém.
 Nhược điểm:
-Nước thải cao su có pH thấp và chưa làm trung hòa nước thải được vì khơng có xút.
-Nước sau xử lý còn SS khá cao. Bể lắng 2 chưa đủ lắng hết lượng cát.
-Hồ hồn thiện sau một thời gian sẽ phải bị nạo vét vì cặn lắng tương đối nhiều.

8


2.2. Giới thiệu về công ty Khải Hoàn
Tên công ty: Công ty cổ phần Khải Hoàn
Địa chỉ: Ấp Cầu Sắt, xã Lai Hưng, Huyện Bến Cát, Tỉnh Bình Dương
Ngành nghề kinh doanh: chuyên sản xuất găng tay y tế
Quy trình sản xuất hiện tại của công ty:

9

Nước thải từ nhà máy chủ yếu phát sinh từ khâu tẩy rửa khuôn, vệ sinh thiết bị.
2.3 Phương pháp xử lý nước thải chứa ammoni
2.3.1 Ammoni trong nước thải
Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động, thực vật và trong thành
phần của các hợp chất tham gia quá trình sinh hóa. Đồng thời nó cũng tồn tại ở rất nhiều
dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm công nghiệp và tự nhiên. Nguyên tố nitơ
có thể tồn tại ở bảy trạng thái hóa trị, từ dạng khử N3- đến dạng oxy hóa sâu N5+. Hợp chất
nitơ trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng N-NH4/N-NH3, sản phẩm của quá trình thuỷ
phân các hợp chất có chứa nitơ xảy ra rất nhanh.

10


Quá trình amôn hóa (ammonification) được coi là bước đầu tiên của quá trình xử lý
nước thải chứa nitơ. Đa phần các hợp chất chứa nitơ tồn tại ở dạng amino nitrogen (urea,
amin, các axit amin và protein) và hợp chất dị vòng (acid nucleic). Sự phân giải protein và
phân hủy các axit amin để giải phóng nitơ dạng ammonia thông qua nhiều cơ chế của quá
trình amôn hóa như thủy phân ,phân hủy amin bằng quá trình oxy hóa, phân hủy amin bằng
quá trình khử và phân hủy amin bằng quá trình tạo liên kết không bão hòa. Sự tồn tại của
nitrit và nitrat trong nước thải chưa xử lý gần như là không có hoặc rất ít.
R-NH2 + H2O  R-OH + NH3
R-CHNH2COOH + H2O  R-CO-COOH + 2(H) + NH3
R-CHNH2-COOH + 2(H)  R-CH2-COOH + NH3
R-CH2-CHNH2-COOH  R-CH=CH-COOH + NH3
Thông qua quá trình sinh học hiếu khí, kỵ khí để xử lý BOD, COD, quá trình amôn
hóa cũng tiến hành song song và giúp cung cấp một lượng Nitơ cần thiết cho việc hình
thành bùn hoạt tính. Vì vậy, trong giai đoạn xử lý nâng cao, xử lý Nitơ chủ yếu chính là
quan tâm xử lý ammonium trong nước thải.

Ammonia trong môi trường nước gồm hai dạng chủ yếu là ion ammonium (NH4+)
và ammonia tự do hay ammonia không bị phân ly (NH3). Do bản chất là một bazơ yếu nên
nó thường ở dạng cân bằng sau:
NH3 + H+  NH4+
NH3 + H2O  NH4+ + OH-

[ NH 3 ][H  ]
Với: K a 
[ NH 4 ]

11


2.3.2 Phương pháp xử lý nước thải chứa ammoni
2.3.2.1 Phương pháp hóa lý
Bảng 2.2 Hiệu suất các quá trình hóa lý xử lý nitơ
Các hợp chất nitơ

Hiệu quả khử
TKN (%)

Nitơ hữu cơ

NH3/NH4 +

NO3-

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

Không chắc chắn

90-100%

0

80-95%

Tủa bằng hóa chất

50 –70%

ít

ít

20-30%

30 –50%

ít

ít

10-20

80 –97%

0

70-95%

Hấp phụ bằng than
hoạt tính

Trao đổi ion chọn Ít, không
lọc NH3 –NH4+

chắc chắn

Phương pháp hóa lý bao gồm nhóm phương pháp hóa học (khử bằng clo, keo tụ hóa
học, hấp phụ than hoạt tính, trao đổi ion) và phương pháp vật lý (lọc, đuổi khí, điện ly,
thẩm thấu ngược). Các quá trình hóa lý được áp dụng rất hạn chế. Chúng thường có công
suất xử lý hay quy mô hệ thống xử lý nhỏ, có nhiều vấn đề khi vận hành và duy trì hệ thống
và trên hết đó là tốn kém.
2.3.2.2 Phương pháp sinh học
A) Sử dụng thực vật thủy sinh

Ngoài khả năng hấp thu hợp chất nitơ của thực vật thủy sinh trong các ao hồ là loại
nổi trên mặt nước như: bèo hoa dâu, bèo tấm, rau muống, lục bình và các loại tảo rong
rêu… Trong vùng nước nông hoặc ven bờ còn có các loài lau, sậy, sú vẹt… cũng là những
12


nhóm thực vật có thể dùng trong xử lý nước thải. Cơ chế xử lý nitơ và photpho ở hệ thực
vật này là hấp thu và tương tác giữa chúng với khu hệ vi sinh vật trong môi trường. Sử
dụng hệ thực vật thuỷ sinh để xử lý nước thải là kỹ thuật xử lý có giá thành thấp, nhưng
cần diện tích rất lớn. Khi áp dụng hệ thực vật thủy sinh vào quá trình xử lý nước thải,
người ta thường áp dụng vào công đoạn xử lý thứ cấp nhằm tăng chất lượng nguồn thải
hoặc sử dụng lại cho tưới tiêu
B) Quá trình đồng hóa

Do nitơ là một chất dinh dưỡng nên các vi sinh vật có mặt trong các hệ thống xử lý
sẽ đồng hóa ammonia và chuyển hóa chúng thành sinh khối tế bào. Trong thành phần tế
bào vi khuẩn ước tính có khoảng 50% protein với hàm lượng nitơ trong đó khoảng 16%.
Do đó để tổng hợp 1g sinh khối vi khuẩn cần khoảng 0,08g ammonia .Một phần ammonia
sẽ được phóng thích trở lại nước thải khi các vi sinh vật chết và bị phân hủy.
C) Quá trình nitrat hóa - khử nitrat truyền thống

Các hệ thống xử lý nitơ truyền thống dựa trên sự kết hợp 2 giai đoạn nitrat hóa và
khử nitrat. Quá trình nitrat hóa có thể xảy ra nếu như nitơ tồn tại dưới dạng nitơ của muối
ammonium. Quá trình nitrat hóa được thực hiện với sự tham gia của các vi khuẩn nitrat
hóa. Hiện nay, vi khuẩn nitrat hóa có rất nhiều tên gọi dựa từ nguồn carbon và năng lượng
tiêu thụ.
Quá trình nitrat hóa là sự chuyển hóa ammonium thành nitrat bởi hoạt động của vi
sinh vật. Quá trình này được thực hiện bởi 2 loại vi sinh vật:
-

Chuyển hoá ammonium thành nitrit: Nitrosomonas (N. europasa, N. oligocar bogenes)
oxy hóa ammonium thành nitrit thông qua hydroxylamin NH2OH. Một số vi sinh vật
khác tham gia oxy hóa ammonium là Nitrosococcus, Nitrosocystis, Nitrosolobus,
Nitrosospira:

-

2 NH4+ + O2

= 2 NH2OH + 2 H+

NH4+ + 1,5 O2

= NO2- + H2O + 2 H+ + 275 KJ

Chuyển hóa nitrit thành nitrat: Nitrobacter (N. agilis, N.winogradskyi). Những

13


vi khuẩn khác oxy hóa nitrit là Nitrospira và Nitrococcus.
NO2- + 0,5 O2
-

= NO3- + 75 KJ

Phản ứng tổng hợp của quá trình nitrat hóa (bao gồm tổng hợp tế bào)
NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3-

 0,021 C5H7NO2 + 0,98 NO3- +

1,041 H2O + 1,88 H2CO3
Từ phương trình trên ta rút ra: Lượng oxy và kiềm cần dùng cho quá trình nitrat hóa
tương ứng là 4,2 mgO2 và 7,1 mg CaCO3 trên 1 mgN-NH4 bị oxy hóa. Trong đó ở giai
đoạn nitrit hóa (nitritation), cần 3,16 mgO2 để oxy hóa 1 mgN-NH4 và giá trị này ở giai
đoạn nitrat hóa (nitratation) là 1,11
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 carbon cần cho vi khuẩn
nitrat 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.
Vi sinh vật tham gia phản ứng thường gọi là các vi khuẩn oxy hóa ammonium
(Ammonium Oxidizing Bacteria - AOB), chủ yếu là các vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas
và một số chi khác như Nitrosococcus, Nitrosospria, Nitrosolobus, Nitrosovibrio.... Tương

tự, các vi khuẩn NOB (Nitrit Oxydizing Bacteria) tham gia phản ứng chủ yếu là vi khuẩn
thuộc chi Nitrobacter, và một số chi khác như Nitrospina, Nitrococcus, và Nitrospira.
Quá trình khử nitrat có sự tham gia của rất nhiều loài vi khuẩn tùy nghi. Quá trình
khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa trị của nguyên tố nitơ từ
+5 về +3, +2, +1 và 0:
NO3-  NO2-  NO  N2O  N2
Phản ứng tổng thể của giai đoạn khử nitrat sử dụng metanol làm chất nhận điện tử
kèm theo sự tổng hợp tế bào

NO3- + 1,08 CH3OH + 0,24 H2CO3 

0,056 C5H7NO2 + 0,47 N2 +

14


1,68 H2O + HCO3Từ phương trình phản ứng trên cho thấy để khử 1g nitrat cần 2,86g chất hữu cơ tính
theo COD và thu được 4,35g HCO3-. Lượng sinh khối thu được từ quá trình nitrat nằm
trong khoảng 0,46 - 0,69 g/g tính theo chất hữu cơ.
Các loài vi khuẩn tham gia quá trình khử nitrat
Acetobacter

Denitrobacillus

Paracoccus

Achromobacter

Enterobacter

Propionicbacteriu

Acinetobacter

Escherichia

Pseudomonas

Agrobacterium

Flavobacterium

Rhizobium

Alcaligenes

Halobacterium

Rhodopseudomon

Arthrobacter

Hyphomicrobium

Spirillum

Axotobacter

Kingella

Thiobacillus

Bacillus

Methanonas

Xanthomonas

Chromobacterium

Moraxella

Corynebacterium

Neisseria

Hai giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat xảy ra với hai điều kiện ngược nhau: Hiếu khí
– thiếu khí, tự dưỡng – dị dưỡng. Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các bể phản
ứng riêng biệt và sự vận hành, kiểm soát quá trình của hệ thống xử lý nitơ truyền thống trở
nên phức tạp. Trong khi ở giai đoạn nitrat hóa cần duy trì DO tối thiểu là 2 mg/L thì ở giai
đoạn khử nitrat phải khống chế DO dưới 0,5 mg/L.

15


Hình 2.1 Con đường chuyển hóa của

quá trình nitrát hóa – khử nitrát.
Bước 1, 2, 3, 4: quá trình nitrát hóa.
Bước 5, 6, 7, 8: quá trình khử nitrát

Một 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 (SBNR), 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 và sinh ra ít bùn hơn

NO2-

NO3-

N2O
Pha khí

pha lỏng
NH2OH

N2

N2H4

Org-N

NH4+

Nitrat hóa
Khử nitrat
Cố định đạm đồng hóa
Nitrit hóa
Anammox

Hình 2.2 Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ

Bên cạnh việc xử lý ammonium dựa vào phương pháp nitrat hóa, khử nitrat truyền
thống tốn kém chi phí trong công nghệ xử lý nước thải; việc phát hiện một hướng đi mới –
oxy hóa kỵ khí ammonium - ANAMMOX, đã tạo nên một làn sóng mới trong nghiên cứu
và ứng dụng các công nghệ xử lý nước thải sử dụng loại vi khuẩn này. Vi khuẩn Anammox
sử dụng 2 loại nitơ: ammonium và nitrit; do đó, nitrat hóa bán phần với sự tham gia của vi
khuẩn Nitrosomonas là một bước quan trọng trong quá trình xử lý nước thải chứa nitơ bằng
16