Làm giàu vi khuẩn anammox từ bùn kỵ khí hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất thức ăn cá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA - TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

NGUYỄN THỊ HỒNG DIỆU

LÀM GIÀU VI KHUẨN ANAMMOX TỪ
BÙN KỴ KHÍ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
NHÀ MÁY SẢN XUẤT THỨC ĂN CÁ
Enrichment ofAnammox bacterial from anerobic sludge of feedfish
wastewater treatment system

Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Môi Trường


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ HỒNG DIỆU

LÀM GIÀU VI KHUẨN ANAMMOX TỪ BÙN KỴ KHÍ
HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY SẢN XUẤT
THỨC ĂN CÁ
Enrichment of Anammox bacterial from anerobic sludge of feedfish
wastewater treatment system

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
Mã số: 60 52 03 20
LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2018

3

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đặng Vũ Bích Hạnh.................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Lê Hùng Anh..................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Trung Thành...............................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 18 tháng 01 năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Bùi Xuân Thành.
2. TS. Nguyễn Xuân Dương.
3. PGS. TS. Lê Hùng Anh.
4. TS. Nguyễn Trung Thành.
5. TS. Võ Nguyễn Xuân Quế.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

TRƯỞNG KHOA


4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA
TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VẲN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Hồng Diệu

MSHV: 1570448

Ngày, tháng, năm sinh: 02/12/1988

Nơi sinh: cần Thơ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Truờng

Mã số : 60520320

TÊN ĐỀ TÀI: Làm giàu vỉ khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí hệ thống xử lý nước thải nhà
máy sản xuất thức ăn cá (Enrichment of Anammox bacterial from anaerobic sludge of
feedfish waswater treatment system)
I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thiết kế, lắp đặt mô hình làm giàu Anammox từ kỵ khí hệ thống xử lý nước thải
nhà máy sản xuất thức ăn cá.

- Chạy thích nghi sinh khối trên môi trường nước thải nhân tạo.
- Định danh xác định sự có mặt của vi khuẩn Anammox trong bùn của hệ thống.
II.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2017

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2018
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH

TP. HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS. ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH
TRƯỞNG KHOA
LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô ở Khoa
Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt cho em


5

những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, em xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến cô PGS.TS. Đặng Vũ Bích Hạnh, cô đã luôn tận tình hướng
dẫn chỉ bảo cho em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Nếu không có sự
hướng dẫn nhiệt tình của cô em sẽ rất khó để hoàn thành được đề tài luận văn.

Đồng thời em cũng cám ơn thầy TS. Kim Lavane, Trường Đại học cần Thơ đã tạo
điều kiện cho em các trang thiết bị trong phòng thí nghiệm, hóa chất, phương pháp,...
trong quá trình thực hiện nghiên cứu.
Cám ơn các bạn sinh viên Trường Đại học cần Thơ luôn nhiệt huyết với đề tài,
giúp đỡ em trong thời gian vận hành mô hình.
Trong quá trình làm đề tài không thể tránh khỏi những sai sótrất mong các thầy, cô
bỏ qua. Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên
đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp
thầy, cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và kiến thức trong lĩnh vực này.

TP. HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2019

Nguyễn Thị Hồng Diệu


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài này được nghiên cứu theo hướng sử dụng bùn kỵ khí tại chỗ của nhà
máy chế biến thức ăn thủy sản để nuôi cấy thu sinh khối vi khuẩn Anammox. Bùn kỵ
khí được lấy từ bể kỵ khí tiếp xúc của hệ thống xử lý nước thải công ty cổ Phần Chăn
Nuôi C.P.Việt Nam tại cần Thơ.
Quá trình làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí được thực hiện trong mô
hình SBR kỵ khí. Nghiên cứu được thực hiện trong 11 tháng. Thí nghiêm 1 vận hành
khởi động nuôi cấy với nồng độ 70 mgN/L ở tải trọng 0.058 kg N/m 3.ngày. Hiệu suất
loại bỏ ammoni cao nhất đạt 29%, ss trong bể đạt 1.866 mg/L. Đến giai đoạn thí
nghiệm 2, vi sinh vật bắt đầu thích nghi và phát triển, hiệu suất ổn định, tiếp tục tăng
nồng độ lên 150 mgN/L với tải trọng 0,25 kgN/m 3.ngày để tích lũy và làm giàu sinh
khối. Hiệu suất loại bỏ ammoni cao nhất được 64%, ss trong bể đạt 2.967 mg/L. Đến
giai đoạn thí nghiêm 3 nồng độ được tăng lên 200 mgN/L với tải trọng 0,33
kg/m3.ngày, hiệu suất loại bỏ ammoni cao nhất đạt 88%, ss trong bể đạt 3.781 mg/L.

Màu sắc của bùn chuyển từ màu đen sang sắc nâu đỏ sau 11 tháng vận hành.
Để định danh xác định vi khuẩn Anammox, nhóm nghiền cứu đã
tiến hành tách chiết DNA bộ gen của mẫu bùn hoạt tính và
PCR với primers chọn lọc (Ana_5’ primer: 5’TAGAGGGGTTTTGATTAT-3’, Tm = 44,3 °C và Ana 3’ primer: 5'GGACTGGATACCGATCGT-3 , Tm = 53,3 °C) để tìm kiếm các chủng
Anammox. Sản phẩm điện di sau khi PCR đoạn 16S rDNA khoảng
100-150 bp. Kết quả cho thấy sự xuất hiện của vi khuẩn
Anammox trong bùn thuộc loài Candidatus brocadia.


7

ABSTRACT

This study was conducted by using anaerobic sludge in place of aquatic food
processing plant to cultivate Anammox microbial biomass. Anaerobic sludge is taken
from the anaerobic contact tank of the waste water treatment system of c.p Viet Nam
Joint Stock Company in Can Tho.
Anammox enrichment process from anaerobic sludge was performed in
anaerobic SBR set-up. The set-up was conducted in 11 months. Experiment 1 operated
the culture start with concentration of 70 mg N/L at loading of 0.058 kg N/m 3.day. The
highest ammonium removal efficiency reached 29%, ss in the tank reached 1,866
mg/L. Experiment 2, microorganisms began to adapt and develop, stable performance,
continued concentration increased to 150 mg N/L with a loading of 0.25 kgN/m 3.day
to accumulate and enrich biomass. The highest ammoni removal efficiency was 64%,
ss in the tank reached 2,967 mg/L. Experiment 3, the concentration was increased to
200 mg N/L with a loading of 0.33 kgN/m3.day, the highest ammoni removal
efficiency reached 88%, ss in the tank reached 3,781 mg/L.
The color of the mud changes from black to reddish brown after 11 months of
operation.
Biomass

extracted
DNA
genome
and
PCR
withbacteria
selective
primers
44,3
°C was
(Ana_5
and
Ana_3
'primer:
'primer:
5'-TAGAGGGGTTTTGATTAT-3',
5'-GGACTGGATACCGATCGT-3,
TmTm
=in
=
53,3
product
°C)
after
to showed
measure
PCR
of
Anammox
16S

rDNA
strains.
segment
Electrophoresis
is about
100-150
bp.
the
The
results
mud
Candidatus
the
appearance
brocadia.
of Anammox


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, những kết quả, số liệu
của luận văn này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác.Tôi hoàn
toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về lời cam đoan này.

TP.HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2019

Nguyễn Thị Hồng Diệu


MỤC LỤC

3.2.1...........................................................................................................................


3.1. Định danh xác định sự có mặt của vi khuẩn Anammox trong bùn hệ thống nuôi


11

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Kết quả phân tích nước thải đầu vào công ty cổ phần chăn nuôi c.p. Việt


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

ss
BOD
COD
MPN
SBR
RBC
DO
OLAND
AOB
FISH
vss
TSS
CANON
SNAP

DEAMOX
SHARON
NOB
SRT
UASB

Suspended solit (Chất rắn lơ lửng)
Biodenmical Oxygen Demand (Nhu cầu Oxy sinh hóa)
Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu Oxy hóa học)
Most Protable Number (Số lượng chắc chắn nhất có thể)
Sequencing Batch Reactor (Bể phản úmgtheo mẻ)
Rotating Biological Contactor (Đĩa quay sinh học)
Dissolved Oxygen (Oxy hòa tan)
Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification (Hệ thống nitrate
hóa và khử nitrate với lượng oxy giới hạn)
Amonia Oxydizing Bacteria (Vi khuẩn Oxy hóa Amoni)
Florescence In Situ Hybridization (Kỹ thuật lai huỳnh quang tại chỗ)
Volatile Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng bay hơi)
Tatol Suspended Solid (Tổng chất rắn lơ lửng)
Complete Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite (Sự kết hợp giữa nitrite
hóa bán phần và Anammox trong cùng một thiết bị xử lý nitơ)
Single stage Nitrogen removal using Anamox Partial nitritation (Quá trình loại
bỏ nitơ kết hợp nitrate hóa bán phần và Anammox trong một bể phản ứng)
Denitrifying Ammonia Oxidation (Quá trình khử nitrate và oxy hóa ammonia)
Single reactor System for Hight Acticity Ammonia Removal Over Nitrite
(Nitrate hóa cục bộ ammonium thành nitrite)
Amonia oxidizing bacteria (Vi khuẩn oxy hóa ammonia)
Sludge Retention Time (Thời gian lưu bùn)
Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Be kỵ khí dòng chảy ngược)

MBR

Membrance Bio Reator (Be lọc sinh học bằng màng)

UF

Ultra Filtration (Màng Lọc UF)

TNRR

Total Nitrogen Removal Rate (Tốc độ loại bỏ nitơ tổng)
Partial Nitrification - SBR (Bể kết hợp nitrite hóa bán phần và bể phản ứng

PN-SBR
HAR

theo mẻ)
Hybrid Anammox Reactor (Phản ứng kết hợp Anammox)

NLR

Nitrogen Loading Rate (Tải trọng nitơ)

TAN

Total Ammonia (Tổng ammoni nitơ)

NRR

Nitrogen Removal Rate (Tốc độ loại bỏ nitơ)


1
4

MỞĐẰU
1.1. Đặt vấn đề

Khi dân số ngày càng gia tăng thì việc nuôi trồng thủy sản cũng tăng nhanh và ra đời
các trung tâm sản xuất thức ăn thủy sản. Khi các doanh nghiệp sản xuất thức ăn tăng lên thì
mối quan tâm lớn nhất sẽ là vấn đề xả thải. Nước thải các nhà máy chế biến thức ăn thủy sản
luôn chứa nhiều chất hữu cơ, cặn lơ lửng, hàm lượng N, p cao. vấn đề chính của việc xử lý
nước thải ngành sản xuất thức ăn thủy sản là việc xử lý N, p.
Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải chứa Nitơ cao như CANON,
SHARON, OLAND, SNAP,A2O, Anammox nhưng Jetten và cộng sự (2012) [1] đã chứng
minh rằng công nghệ Anammox có thể giải quyết tốt vấn đề xử lý N, p trong nước thải có
hàm lượng chất dinh dưỡng cao do đòi hỏi nhu cầu về oxy ít hơn, không cần bổ sung nguồn
Cacbon hữu cơ từ bên ngoài, nó đem lại lợi ích về kinh tế.
Với việc nuôi cấy Anammox bằng chính nguồn vi khuẩn bản địa có thể giúp cho vi
sinh vật xử lý nước thải có khả năng thích nghi cao với môi trường hơn so với nguồn vi
khuẩn được thu thập từ nhiều nguồn phải trải qua quá trình thích nghi lâu dài. Kocamemi
BA và cộng sự (2018) [2] đã nghiên cứu nhằm đánh giá tác động của kỹ thuậtsử dụng seed
trong giai đoạn khởi động và làm giàu của các hệ thống Anammox bằng cách theo dõi cả
hiệu suất của quá trình và động lực học của vi sinh vật. Hai kỹ thuậtseeding khác nhau, sử
dụng nuôi cấy bùn hoạt tính hỗn hợp từ nguồn bùn địa phương và sử dụng nuôi cấy
Anammox được làm giàu từ nước ngoài, được nghiền cứu tương đối trong các hệ thống SBR
hoạt động trong 410 ngày. Seed Anammox được làm giàu từ nước ngoài bị ức chế nghiêm
họng trong quá trình vận chuyển. Hoạt động Anammox bắt đầu lại sau thời gian phục hồi
195 ngày. Hoạt tính Anammox đã được làm giàu thành công trong vòng 95 ngày từ nguồn

bùn hoạt tính cục bộ mà không cần seeding Anammox. Vi khuẩn Anammox đạt mức 1.011
bản/ng vào cuối thời gian làm giàu 410 ngày. Kết quả FISH cho thấy, Ca. Brocadia
anammoxidans và Ca. Scalỉndua chiếm ưu thế trong môi trường làm giàu. TNRR tối đa
được quan sát là 430 mg N/ngày. Các phân tích DGGE cho thấy một sự thay đổi mạnh mẽ
trong cộng đồng vi sinh vật (56%) với sự làm giàu Anammox.


1
5

Vì vậy, đề tài “LÀM GIÀU VI KHUẨN ANAMMOX TỪ BÙN KỴ KHÍ HỆ THỐNG
XỬ LÝ NUỚC THẢI NHÀ MÁY SẢN XUẤT THỨC ĂN CÁ”được chọn để tiến hành nghiên

cứu.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Nuôi cấy làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí hệ thống xử lý nước thải nhà
máy sản xuất thức ăn cá.
1.3. Nội dung nghiên cứu

Đề tài bao gồm các nội dung như sau:
(i) Thiết kế, lắp đặt mô hình làm giàu Anammox từ bùn kỵ khí hệ thống xử lý nước
thải nhà máy sản xuất thức ăn cá.
(ii) Chạy thích nghi, tích lũy và làm giàu sinh khối trên môi trường nước thải nhân
tạo.
(iii) Định danh xác định sự có mặt của vi khuẩn Anammox trong bùn của hệ thống.
(iv) Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố bao gồm pH, nhiệt độ, độ kiềm,.. .đến quá
trình khử Ammoni.
1.4. Đối tượng nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình có thể tích hiệu dụng 9 lít để thực hiện thí
nghiệm nuôi cấy làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí nhà máy sản xuất thức ăn cá
Công ty Cổ phần Chăn Nuôi C.p. Việt Nam tại Cần Thơ.
1.5. Phuong pháp nghiên cứu

* Phương pháp tổng quan tài liệu, tham khảo, tìm hiểu các nghiên cứu đã được thực
hiện ứng dụng công nghệ Anammox từ các bài báo đã được công bố. Tìm hiểu các cơ chế
xảy ra trong quá trình Anammox, tham khảo các tài liệu về vận hành, các yếu tố ảnh hưởng
đến quá trình.
* Thiết kế thí nghiệm:
+ Thiết kế mô hình;
+ Thử nghiệm thăm dò, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ NIỈ4 +N;
+ Các nghiệm thức:
- Thí nghiệm 1: Khởi động nuôi cấy làm giàu bùn ở tải trọng 0,058 kgN/m3.ngày.


1
6

- Thí nghiệm 2: Giai đoạn tích lũy và làm giàu vi khuẩn Anammox ở tải trọng 0,25
kgN/m3.ngày.
- Thí nghiệm 3: Giai đoạn tích lũy và làm giàu vi khuẩn Anammox ở tải trọng 0,33
kgN/m3.ngày.
* Phương pháp lấy mẫu và phân tích, đánh giá số liệu thực nghiêm của thí nghiệm,
hàng ngày theo dõi chỉ tiêu pH, DO, nhiệt độ; hàng tuần theo dõi các chỉ tiêu, NH4 + - N,
NO3' -N, NO4' - N.
* Phương pháp lấy mẫu chạy PCR giải trình tự DNA.
* Phương pháp phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm được nhập vào phần mềm
Excel (version 2010) hàng ngày và xử lý số liệu trên phần mềm Excel (version 2010) và
SPSS (version 23).

1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.6.1.

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu cung cấp bổ sung nguồn gen Anammox từ bùn kỵ khí nhà máy
sản xuất thức ăn cá.
1.6.2.

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu góp phần thực tế xử lý nước thải giàu nitơ của các hệ thống xử lý
nước thải thủy sản ở phía Nam.
1.7. Tính mói của đề tài

Thu nhận và làm giàu nguồn gen Anammox tại chỗ.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính chất nước thải ngành sản xuất thức ăn thủy sản

Do đặc trưng của ngành nghề sản xuất thức ăn cá là không sử dụng nước trong quá
trình sản xuất nên không phát sinh nước thải (lượng nước sử dụng cho hoạt động lò hơi sẽ
hóa hơi và không phát sinh nước thải). Lượng nước thải phát sinh chủ yếu là nước từ việc vệ
sinh hệ thống chứa cám bụi, vệ sinh bồn dầu cá, mắm tôm, và nước thải sinh hoạt. Nước thải
chứa nhiều bột cám nổi. Lượng nước thải này chứa hàm lượng cao ss, BOD, COD các chất
dinh dưỡng.
Bảng 1.1 Kết quả phân tích nước thải đầu vào công ty cổ phần chăn nuôi c.p. Việt Nam
STT

CHỈ TIÊU

ĐƠN VỊ

KẾT QUẢ


1
7

1

TSS

mg/L

7,805

2

BODs (20°C)

mg/L

19,500

3

COD

mg/L

26,840

4

TỔngN

mg/L

946

5

Tổng p

mg/L

138

6
7

Ammonia

mg/L

276

Sunfua

mg/L

12

8

Coliform

MPN/100mL

2,4xl03

- —L~~------------ —-—- — đo
- "T———:—
-—J:— 5——— (Nguôn: Trung tâm kỹ thuật tiêu
chuân
lường chât lượng
Cân Thơ, 2016;
1

1

1.2. Công nghệ xử lý nước thải ngành sản xuất thức ăn thủy sản

Hiện nay có nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn để xử lý nitơ trong nước thải
thủy sản.
A.E. Ghaly và cộng sự (2004) [3] đã thực hiện năm ô đất đã được kiểm tra khả năng
loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước thải nuôi hồng thủy sản và sự phù hợp như thức ăn cho cá:
cỏ linh lăng, cỏ ba lá hắng, yến mạch, lúa mạch đen, lúa mạch. Những hạt giống đầu tiên
được nảy mầm trong nước trong một hệ thống thủy canh, và các ô đất được cho ăn nước thải
từ cá rô phi cơ sở sản xuất. Hạt cỏ ba lá và cỏ linh lăng đã bị nhiễm nấm ngay sau khi nảy

mầm, và rễ của chúng đã bị phá hủy hoàn toàn ở ngày 14. Yến mạch, lúa mạch đen và lúa
mạch có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất và cho thấy khả năng chịu bệnh nấm cao hơn so với
cỏ linh lăng và cỏ ba lá. Mặc dầumột lượng đáng kể các chất hòa tan và không hòa tan được
giải phóng bời hạt trong thời kỳ nảy mầm, cây có thểloại bỏ tất cả các chất ô nhiễm trong
nước thải và các phần quan trọng của các chất được giải phóng. Tổng mức giảm trong tổng
chất rắn, COD, NO3’ - N, NO2' - N, p và K dao động từ 54,7-91,0%; 56-91,5%; 82,998,1%; 95,9-99,5%; 54,5-93,6% và 99,6-99,8%, tương ứng. Yến mạch, lúa mạch và lúa
mạch đen phát triển tốt trong loại hệ thống thủy canh này và có thể được sử dụng làm thức
ăn cho cá sau khi đượcbổ sung chất béo, Ca, Na, Mn và Fe. Dầu và clorua của các nguyên tố
này có thể được thêm vào các nhà máy này khi xây dựng cho cá ăn. Đối với hoạt động liên
tục, một hệ thống hai đơn vị có thể được cấu hình để cho phép nảy mầm một tuần và làm
sạch một tuần vàkhởi động trong một đơn vị trong khi đơn vị khác đang hoạt động.
Tim L.G và cộng sự (2014) [4], đã làm giàu Anammox trong dòng nước của nhà máy
xử lý nước thải (WWTP) tiết kiệm năng lượng cho sục khí và cho phép thu hồi khí sinh học


1
8

từ vật liệu hữu cơ. Những thách thức chính khi áp dụng quy trình Anammox trong dòng
nước có liên quan đến nhiệt độ thấp < 20 °C, làm giảm đáng kể độ đặc hiệu hoạt động
Anammox. Mục đích của nghiên cứu này là làm phong phú thêm một loài Anammox thích
nghi lạnh, với mức cao hoạt động cụ thể. Điều này đã đạt được trong một lò phản ứng 4,2 L
hoạt động ở 10 °C, được nuôi dưỡng với 61 mgN/L (NH4 +, NO2') và được cấy với bùn hoạt
tính từ hai WWTP thành phố được chọn. Candidatus brocadia fulgida là loài chiếm ưu thế
trong sinh khối được làm giàu, với một hoạt động cụ thể là 30 -44 mg N/(gVSd). Điều này
cao gấp hai lần so với báo cáo trước đây ở 10 °C, có lợi cho ứng dụng toàn diện. Năng suất
khối lượng sinh học là 0,046 g sinh khối/g N được chuyển đổi, tương tự như ở nhiệt độ cao
hơn.
Apipong và cộng sự (2008) [35] đã sử dụng quá trình bùn hoạt tính với quá trình
nitrat hóa bán phần (AS/PN) kết hợp với quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (Anammox) xử lý

nước thải chế biến thủy sản. Điều kiện hoạt động của quá trình AS/PN để ghép nối với quá
trình Anammox được xác định là pH trong khoảng 7,7 - 8,2 và DO là 0,5 - 0,9 mg/L để đạt
được loại bỏ hơn 85% COD cũng như quá trình nitrat hóa một phần. Quá trình AS/PN được
phát triển có thể tạo ra nồng độ gần như bằng nhau nitơ amoni và nitrit trong nước thải rất
phù hợp cho quá trình Anammox. Loại bỏ gần hoàn toàn ammonium và nitrite đã đạt được
trong quá trình vận hành Anammox ở trạng thái ổn định. Tốc độ loại bỏ nitơ tối đa cho quá
trình Anammox được tìm thấy là 0,6 kgN/m 3.ngày. Các vi sinh vật tham gia vào cả quá trình
AS/PN và Anammox được xác định bằng cách sử dụng kỹ thuật phản ứng lai tại chỗ và
chuỗi polymerase. Kết quả 16S rDNA tiết lộ 94% tương đồng với Candỉdatus “Brocadia
Fulgida”.
Jetten và cộng sự (2012) [1] đã so sánh định tính một số công nghệ xử lý dinh dưỡng
và quá trình Anammox như sau:
Bảng 1.2 So sánh định tính một vài công nghệ Anammox và các công nghệ truyền thống

Số bể phản ứng

Sharon

Anammox

Canon

1

1

1

Quá trình Nitrat
hóa/khử Nitrat truyền

thống

2


1
9

Nguyên liệu

Nước thải

Hỗn hợp
Amôni - Nitrit

Sản phẩm

NHA NO2-

N2, NO3-

N2, NO3-

N2,N2O, NO3-

Điều kiện hoạt
động

Có oxy

Thiếu khí

Hạn chế oxy

Có oxy, Thiếu khí

Nhu cầu oxy

Thấp

Không

Thấp

Cao

Kiểm soát pH

Không

Không

Không

Có

Lưu sinh khối

Không

Có

Có

Không

Nhu cầu COD

Không

Không

Không

Có

Tạo bùn

Thấp

Thấp

Thấp

Cao

6-12

1-3

0,05-4

Oxyhóa NỈỈ4+
và
Planctomyces

Các loài dị dưỡng và
khử Nitrat.

Năng suất bể phản
ứng (kg
1
N/m3.ngày)

Vi khuẩn

Oxy hóa NH? Planctomyces

Nước thải

Nước thải


2
0

1.3. Quá trình Anammox
1.3.1.

Giói thiệu

Phản ứng chuyển hóa nitơ được phát hiện, năm 1995, đó là phản ứng oxy hóa
Ammonia trong điều kiện kỵ khí, trong đó Ammonia được oxy hóa bời nitrite thành khí N2,
không cần cung cấp cacbon hữu cơ. Đây là hướng phát triển kỹ thuật mới để xử lý nitơ trong
nước thải, đặc biệt là các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao.
1.3.2.

Lịch sử phát hiện và bản chất quá trình Anammox

Sự phát hiện phản ứng Anammox đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ
mới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng nitơ cao. Những năm trở lại đây, đã bùng nổ
các nghiên cứu có liên quan đến Anammox và ứng dụng của nó. Trên bình diện lý thuyết,
chu trình nitơ tự nhiên trong sách giáo khoa đã được bổ sung mắt xích mới, còn trên bình
diện công nghệ, đã có nhà máy xử lý nitơ phi truyền thống được xây dựng và vận hành.
Thật ra phản ứng Anammox đã được dự báo trước khi được phát hiện (Broda, 1997).
Trên cơ sở tính toán nhiệt động học Broda đã dự báo sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng
hóa năng có khả năng oxy hóa Ammonia bởi nitrate và về mặt năng lượng không khó xảy ra
hơn oxy phân tử:
5 NH4+ + 3 NO3'-> 4 N2 + 9 H2O + 2H+
NH4+ + 1.5 O2-> NO/ + 2H+ H2O
NH4+ + 2 O2-> NO/ +2H+ + H2O
Mãi 17 năm sau đó bằng chứng thực tế đầu tiên

AG° = -297
kJ/mol
AG° = -275
kJ/mol
AG° = -349

về phản ứng Anammox đã được phát hiện ở một bể khử nitrate xử lý nước lắng của bể phân

hủy bùn tại Gist-brocades (Delft, Hà Lan). Qua theo dõi cân bằng nitơ, sự giảm nồng độ
đồng thời Ammonia và nitrate, nitrite cùng với sự tạo thành nitơ phân tử ở điều kiện kỵ khí
đã được phát hiện.
Trong một vài năm tiếp theo nhóm Đại học kỹ thuật Delft (TU - Delft) đã lần lượt
công bố và mô tả ban đầu về Anammox theo đó Anammox được xác nhận là có bản chất của
quá trình sinh học, Ammonia được oxy hóa ở điều kiện kỵ khí với nitrite là phần tử nhận
điện tử tạo thành nitơ phân tử theo phản ứng sau:
NH4+ + NO/^ N2 + 2 H2O


2
1

Tiếp theo đó phản ứng Anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và nhận dạng tại
các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà khoa học Đức (Schmid và Nnk, 2000), Nhật Bản
(Furukawa và Nnk, 2000), Thụy Sĩ (Egli và Nnk, 2001), Bỉ (Pynaert và Nnk, 2002), và Anh
(Schmid và Nnk, 2003).
Từ sự phát hiện trên (trong các hệ thống xử lý nước thải) các nhà khoa học đi đến
việc tìm kiếm vi khuẩn Anammox tại các hệ sinh thái tự nhiên. Thực vậy, đã chứng minh
được rằng phản ứng Anammox giữ 50% vai trò tạo khí nitơ trong trầm tích biển Baltic
(Thamdrup và Dalsgaard, 2002), trong vùng nước thiếu khí dưới đáy Đại Dương ở Costa
Rica (Dalsgaard và Nnk, 2003). Các vi khuẩn Anammox thuộc một chi mới cũng phát hiện
được trong vùng nước gần đáy Biển Đen (Kuypers và Nnk, 2003).
Trên cơ sở các phát hiện mới về phản ứng Anammox và các vi khuẩn tham gia mà
chu trình chuyển hóa nitơ tự nhiên ghi nhận trong các sách khoa trước đây nay đã được bổ
sung một mắt xích mới.
Khử
nitrate

N2

CỐ đinh N
NH?

NOf

NO3’

Nitrite hóa
Hình 1.1 Chu trình nitơ mới bổ sung thêm mắt xích Anammox
1.3.3.

Hóa sinh học của quá trình Anammox

* Phương trình phản ứng

Phản ứng Anammox là quá trình oxy hóa ammonium bởi nitrite bằng một phản ứng
hóa học đơn giản với tỉ lệ mol NH4+: NO2' = 1:1,32.
Trên cơ sở cân bằng khối lượng từ thí nghiệm nuôi cấy làm giàu với kỹ thuật mẻ liên
tục (SBR) có tính đến sự tăng trưởng sinh khối, phản ứng Anammox được xác định với các
hệ số tỉ lượng như sau:
NHỈ + 1,32 Nỡ£ + 0,066 HCOĩ + 0,13 H+
-> 1,02 N2 + 0,26 NOĩ + 0,066 C//2ƠO.5/VO.15 + 2,03 H2O (1)


2
2

Trong đó có một lượng nhỏ nitrate tạo thành từ nitrite được giả thiết là để tham gia
đồng hốa CO2. Phương trình này đã được chấp nhận rộng rãi như là đại diện cho khỉ tính toán

và giải thích về phản ứng Anammox.
* Cơ chế hóa sinh
Dựa vào kết quả khảo sát bằng việc sử dụng phương pháp đồng vị 15N đã đề xuất một
cơ chế hốa sinh của quá trình Anammox:

Hình 1.2 Cơ chế sinh hóa của quá trình Anammox -NR: Enzyme khử
nitrite (sản phẩm giả thiết là NH2OH) -HH: Hydrazine hydrolase (xúc tác tạo hydrazyne từ
ammonium và hydroxylamine)
-HZO: Enzyme oxy hóa hydrazine.
Theo đó, quá trình đi qua sản phẩm trung gian là hydrazine (N2H4) với sự tham gia
của enzym HZO tương tự như enzym HAO tham gia oxi hóa hiếu khí ammonium, HZO xúc
tác phản ứng oxy hóa hydrazine thành ni tơ phân tử (G° = - 288 kj/mol). Các điện tử từ quá
trình oxy hóa này (4e_) giúp khử nitrite thành hydroxylamine với sự xúc tác của một enzym
tạm gọi là NR (G° = - 22,5 kj/mol). Hydroxylamine tạo ra sẽ phản ứng kết hợp với ammonium
để tạo ra hydrazine mới xúc tác bỏd enzym HH, (G° = - 46 kj/mol). Chu trình xúc tác cứ vậy
lặp lại nhiều lần.


2
3

Một điểm thú vị liên quan đến enzym HZO của vỉ khuẩn Anammox là có cấu trúc
tương tự HAO ở vi khuẩn Nitrosomonas, tức là chứa các cytochrome c (cyt C) với nhanhaem c

hấp thu ánh sáng mạnh ở bước sóng 1468 nm (tương tự P460 của HAO). Vì ion trung tâm
của các haem này là ion sắt (Fe11 và Fera), 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 một chỉ thị tốt về sự hiện diện
của vi khuẩn Anammox.
Các nghiên cứu ban đầu 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. Anammoxosome nằm trong tế bào chất, bao bọc bởi màng lipid ladderane,
và có thể tách nguyên vẹn từ tế bào Anammox. Tính chất và chức năng của Anammoxosome
vẫn đang được tiếp tục nghiên cứ và được coi là một trong những vấn đề thú vị của sinh học
tế bào. (Hình 1.3 là sơ đồ khoang ở tế bào Anammox, trong đó thấy rõ vị trí của
Anammoxosome).
Màng trong tế
bào chất

Thành tế
bào

Hình 1.3 Sơ đồ phân khoang tế bào Anammox
Hoạt động xúc tác cho phản ứng của quá trình Anammox bởi vi khuẩn đã được dự
đoán vào năm 1977, trên cơ sở tính toán nhiệt động học. Những nghiên cứu sâu hơn đã cho
thấy quá trình Anammox được thực hiện bởi các vi khuẩn hóa tự dưỡng, gần đây cho thấy
thuộc về bộ Plantomycetales và được đặt tên là Candidatus Brocadia Anammoxidans,
Candidatus Brocadia Anammoxidans phát triển chậm và thời gian chuyển tiếp gấp đôi
khoảng 11 ngày ở pH bằng 8 và nhiệt độ 40 °C.


2
4

Nhưng để hiểu biết sâu về vi khuẩn Anammox và chủng Candidatus Brocadia
Anammoxidans nói riêng. Vì nhóm vi khuẩn Anammox rất khó phân lập. Ỏ đây, các nhà
khoa học đã nghiên cứu việc làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox với môi trường nhân tạo
cho phản ứng Anammox trong thiết bị RBC (Hà Lan) hoặc trên chất mang (Nhật), với thời
gian rất dài, đây là vấn đề cần phải nghiên cứu khắc phục.
1.3.4.

Đặc điểm vỉ sinh học

* Định danh và phân loại nhóm vỉ khuẩn Anammox
Hiện nay, đã có 5 chi và 13 loài vi khuẩn Anammox được phát hiện từ các nguồn
khác nhau. Danh sách các loài vi khuẩn Anammox đã phát hiện được đưa ra tại bảng 1.3.
Bảng 1.3 Danh sách các vi khuẩn Anammox được phát hiện
STT
1

Chủng vsv
Brocadỉa

Loài vsv
Brocadỉa anammoxỉdans
Brocadỉa fulgida
Brocadỉa sỉnỉca

2

Kuenenỉa

Kuenenỉa stuttgartiensỉs

3

Scalỉndua

Scalỉndua brodae
Scalỉndua wagneri
Scalỉndua sorokỉnỉỉ

Scalindua arabica
Scalindua sinooilfield
Scalindua zhenghei

4
5

Jettenia
Anammoxoglobus

Candidatus jettenia asiatica
A nammoxoglobus propionicus
Anammoxoglobus sulfate


2
5

về mặt phân loại, các vỉ khuẩn Anammox là những thành viên mới tạo thành phân
nhánh sâu của ngành Pỉanctomycetes, bộ Pỉanctomycetales. Cây phát sinh loài của bộ

Planctomycetaỉes được đưa ra ở hình 1.4.

Hình 1.4 Cây phát sinh loài của bộ Planctomycetales
Ở trường hợp phát hiện đầu tiên, bùn ky khí được nuôi cấy làm giàu bằng phương
pháp mẻ liên tục (SBR), vi khuẩn được tách bằng phương pháp gradient tỷ trọng, chiết xuất
AND, khuếch đại 16S rDNA rồi tiến hành phân tích trình tự. Kết quả cho thấy vi khuẩn thuộc
vào phân nhánh Pỉanctomycete sâu và vi khuẩn đã được đặt tên là Candidates brocadỉa

anammơxìdans.

Trên cơ sở phân tích 16S rDNA, năm 2000 vi khuẩn Anammox được phát hiện ở các hệ
thống xử lý RBC ở Stuttgart (Đức) được xác định là loài mới và được đặt tên là Candidates

Kuenenia Stettgartiensis. Sau đó vỉ khuẩn Anammox được phát hiện ờ Thụy Sỹ, Bỉ cũng được
phát hiện chính là Canditates kuenenìa stuttgartỉensỉs.
Ở phòng thí nghiệm thuộc đại học Kumamoto (Nhật Bản), trong quá trình làm giàu
trên vật liệu bám là một dạng sợi polyester được thiết kế đặc biệt (non-woven), phản ứng
Anammox và vi khuẩn Anammox màu đỏ đặc trưng đã được phát hiện. Kết quả phan tích 16S
rDNA sau đó đã phát hiện các vi khuẩn chỉ có độ tương tự là 92,2% vối Ca. Brocadỉa với

Anamtnoxidan và tương tự rất thấp với các nhóm khác đã biết trước đó.