Nghiên cứu đánh giá các thông số động học của quá trình anammox

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ QUỲNH SA

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
CỦA Q TRÌNH ANAMMOX

Chun ngành: CƠNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG
Mã số: 60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. TRẦN TIẾN KHÔI

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. NCVCC NGUYỄN QUỐC BÌNH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 26 tháng 01 năm 2013.
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Đinh Xuân Thắng
2. TS. NCVCC Nguyễn Quốc Bình

3. TS. Đặng Vũ Bích Hạnh
4. TS. Nguyễn Như Sang
5. PGS.TS Nguyễn Phước Dân
Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thị Quỳnh Sa

MSHV: 11256068

Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1987

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Công nghệ Môi Trường

Mã số: 60 85 06

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THƠNG SỐ ĐỘNG HỌC
CỦA Q TRÌNH ANAMMOX
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
− Đánh giá khả năng xử lý nitơ của quá trình Anammox đối với nước thải nhân tạo.
− Nghiên cứu các thơng số động học của q trình Anammox
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
1. PGS. TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN
2. TS TRẦN TIẾN KHÔI
Tp. HCM, ngày 20 tháng 02 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

PGS. TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

TS. TRẦN TIẾN KHÔI

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


i

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành tốt chương trình đào tạo và Luận văn Thạc sỹ, tôi xin gửi lời cảm ơn
chân thành và sâu sắc nhất của mình đến quý thầy cơ, bạn bè và gia đình.

• Xin cảm ơn các thầy cô giáo đã và đang công tác tại Khoa Mơi Trường –
Trường ĐH Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức
trong thời gian tơi theo học tại trường;
• Đặc biệt cảm ơn PGS. TS Nguyễn Phước Dân, TS. Trần Tiến Khôi đã đưa ra
phương hướng cũng như cố vấn các vấn đề chuyên mơn trong Luận văn này;
• Cảm ơn các bạn sinh viên, học viên cao học K.2010; K.2011;
• Cuối cùng xin cảm ơn gia đình đã ln đồng hành cùng tơi trong suốt thời gian
qua.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 02 năm 2013

Nguyễn Thị Quỳnh Sa


ii

TÓM TẮT
Việc xử lý nước thải giàu chất dinh dưỡng là một trong những yêu cầu ngày càng
cấp thiết trong quá trình phát triển của xã hội. Các quá trình xử lý nitơ truyền thống
vẫn đang được áp dụng khá phổ biến song chúng thường địi hỏi chi phí đầu tư cũng
như vận hành cao. Những năm gần đây, một lý thuyết mới để xử lý nitơ được phát
hiện là q trình Anammox trong đó ammonium được oxy hóa ở điều kiện kỵ khí
thành nitơ.
Mặc dù q trình Anammox đã được nghiên cứu trong một thời gian dài bởi các nhà
khoa học khác nhau, nhưng trong số đó có khá ít nghiên cứu đi sâu vào tìm hiểu các
thơng số động học của q trình này. Do đó, mục tiêu chính của Luận văn này là
nghiên cứu đánh giá các thơng số động học của q trình Anammox đối với nước
thải nhân tạo được thực hiện trên mơ hình kỵ khí dịng chảy ngược.
Kết quả nghiên cứu trên nước thải nhân tạo cho thấy hiệu quả xử lý N-NH4+ và N–
NO2- đạt được cao nhất là 91,4 ± 1,0% và 86,5 ± 1,6% (n = 8) ở tải trọng 3
kgN/m3/ngày; tải trọng loại bỏ nitơ tổng cao nhất là 7,02 kgN/m3/ngày đạt được vào

ngày thứ 152 của thí nghiệm.
Nghiên cứu động học của quá trình Anammox sử dụng 4 phương trình động học là
bậc nhất, bậc hai, động học Monod và Stover – Kincannon. Kết quả cho thấy động
học bậc hai và Stover – Kincannon thích hợp để mơ tả hiệu quả xử lý nitơ của quá
trình, với hằng số phân hủy cơ chất bậc hai k2 = 8,68 ngày-1, hằng số bão hòa KB =
28,783 g/L/ngày và hằng số tốc độ tiêu thụ cơ chất lớn nhất Umax = 26,109
g/L/ngày.


iii

ABSTRACT
The nutrient-rich wastewater treatment is one of the urgent demands in the
development process of society. The traditional technologies for nitrogen removal
from wastewater have been being applied fairly common. However, they often
require high initial investment and operation cost. In recents years, Anammox
process in which ammonium is oxidized to nitrogen in the anaerobic conditions has
been found as a new theory for nitrogen removal.
Although many scientists have studied the Anammox process for a long time, there
is a few research available to find out the kinetic parameters of this process. As a
result, this thesis aims to evaluate the kinetic parameters of the Anammox process
for synthetic wastewater carried out in the upflow anaerobic sludge blanket.
Research results on synthetic wastewater showed that the highest removal
efficiencies of N – NH4+ and N – NO2- were 91.4 ± 1.0% and 86.5 ± 1.6% at the
NLR of 3 kg N.m-3.day-1, respectively. Besides, the highest nitrogen removal
loading rate was 7.02 kg N.m-3.day-1.
Kinetic study of Anammox process used four kinds of kinetic equation such as the
first-order, second-order, Monod and Stover – Kincannon. Results showed that the
second-order and Stover – Kincannon kinetic equations were approriate to estimate
the nitrogen removal efficiency with the Grau second-order substrate removal rate

constant k2 of 8.68 day-1, the saturation value constant KB of 28.783 g.L-1day-1 and
the maximum utilization rate constant Umax of 26.109 g.L-1day-1


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Nguyễn Thị Quỳnh Sa, là học viên cao học chun ngành Cơng nghệ Mơi
trường, khóa học 2011. Tơi xin cam đoan:
− Cơng trình nghiên cứu này do chính tơi thực hiện tại phịng thí nghiệm Khoa Mơi
trường, trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh.
− Các số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở các
nghiên cứu của tác giả khác hay trên bất kỳ phương tiện truyền thơng nào.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong Luận văn tốt nghiệp
của mình.
Học viên

Nguyễn Thị Quỳnh Sa


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
TÓM TẮT ..............................................................................................................ii
ABSTRACT ......................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. iv
MỤC LỤC.............................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................... ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIÊT TẮT ....................................................................... x
CHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1
1.1.

TÍNH CẤP THIẾT ..................................................................................... 1

1.2.

MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN .................................................................. 1

1.3.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .................................................................... 2

1.4.

NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN .................................................................. 2

1.5.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................... 2

1.6.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ................................................. 3

1.6.1. Tính mới ................................................................................................. 3
1.6.2. Tính khoa học ......................................................................................... 3
1.6.3. Tính thực tiễn .......................................................................................... 3
CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN ................................................................................ 4

2.1. GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................. 4
2.2. CÁC Q TRÌNH HĨA LÝ XỬ LÝ NITƠ ................................................. 6
2.3. CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC XỬ LÝ NITƠ.............................................. 7


vi

2.3.1. Quá trình sinh học sử dụng hồ thực vật thủy sinh .................................... 7
2.3.2. Q trình sinh học nitrate hóa – khử nitrate truyền thống ........................ 7
2.3.3. Quá trình Anammox .............................................................................. 10
2.3.4. Một số quá trình sinh học khác .............................................................. 25
2.4. ĐỘNG HỌC Q TRÌNH ......................................................................... 30
2.4.1. Các phương trình động học sử dụng trong nghiên cứu ........................... 33
2.4.2. Các nghiên cứu liên quan đến động học quá trình Anammox ................ 37
CHƯƠNG 3 - VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 40
3.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 40
3.2. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU .......................................................................... 41
3.3. VẬN HÀNH THÍ NGHIỆM........................................................................ 42
3.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ................................................................... 43
3.5. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU ............................................................ 44
3.5.1. Xác định tải trọng .................................................................................. 44
3.5.2. Xử lý số liệu .......................................................................................... 44
CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................... 45
4.1. HIỆU QUẢ XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT NITƠ ............................................. 45
4.1.1. Hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ ........................................................... 45
4.1.2. Tải trọng loại bỏ tổng nitơ (TNRR) ....................................................... 48
4.2. KẾT QUẢ ÁP DỤNG CÁC MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC ................................. 50
4.2.1. Động học bậc 1 ..................................................................................... 50
4.2.2. Động học bậc hai Grau .......................................................................... 52
4.2.3. Động học Stover – Kincannon ............................................................... 53

vii

4.2.4. Động học Monod .................................................................................. 55
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................................. 61
1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 61
2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 62
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 68


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 – Các quá trình xử lý nitơ và hiệu quả của chúng ..................................... 6
Bảng 2.2 –Một số đặc điểm đặc trưng của phản ứng Anammox và AOB .............. 16
Bảng 2.3 – Tóm tắt các nghiên cứu quá trình Anammox trên thế giới ................... 22
Bảng 2.4 – Tóm tắt một số q trình xử lý nitơ ..................................................... 29
Bảng 2.5 – Mơ hình động học hình thức................................................................ 31

Bảng 3.1 – Thành phần nước thải nhân tạo............................................................ 40
Bảng 3.2 – Điều kiện vận hành mơ hình với nước thải nhân tạo ............................ 42
Bảng 3.3 – Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích ................................................ 43

Bảng 4.1 – Hiệu quả xử lý N – NH4+ và N – NO2- ở các tải trọng .......................... 46
Bảng 4.2 – Tổng kết và so sánh các thông số động học được áp dụng cho các bể
phản ứng khác nhau ............................................................................................... 59

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 – Q trình Ludzack - Ettinger hiệu chỉnh .............................................. 10
Hình 2.2 – Quá trình Bardenpho (4 pha) ............................................................... 10
Hình 2.3 – Chu trình chuyển hóa nitơ ................................................................... 11
Hình 2.4 – Cơ chế hóa sinh của quá trình Anammox............................................. 12
Hình 2.5 – Đồ thị tương quan áp dụng trong mơ hình động học Stover Kincannon35

Hình 3.1 – Mơ hình thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu .................................... 41

Hình 4.1 – Nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào và ra của nghiên cứu ..................... 45
Hình 4.2 – Nồng độ các hợp chất nitơ đầu ra theo từng tải trọng ........................... 47
Hình 4.3 – Tải trọng loại bỏ nitơ theo thời gian vận hành...................................... 48
Hình 4.4 – Đồ thị xác định phương trình động học bậc nhất.................................. 51
Hình 4.5 – Đồ thị xác định phương trình động học bậc hai.................................... 52
Hình 4.6 – Đồ thị xác định phương trình động học mơ hình Stover-Kincannon .... 54
Hình 4.7 – Đồ thị xác định phương trình động học Monod ................................... 56


x

DANH MỤC CÁC TỪ VIÊT TẮT
ANAMMOX Anaerobic Ammonium Oxidation (Oxy hóa kỵ khí ammonium)
ANMR

Anammox Non- woven Membrane Reactor

AOB

Ammonium Oxidation Bacteria (Vi khuẩn oxy hóa ammonium)

BOD

Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học)

BTNMT

Bộ Tài Nguyên Môi Trường

CANON

Completed Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite

COD

Chemical oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

DO

Dissolved Oxygen (Oxy hòa tan)

HRT

Hydraulic Retention Time (Thời gian lưu nước)

HH

Hydrazine Hydrolase

HZO

Hydrazine oxidizing enzyme

NLR

Nitrogen Loading Rate (Tải trọng nitơ)

N-NH4

Ammonium Nitrogen (Ammonium tính theo nitơ)

N-NO2

Nitrite Nitrogen (Nitrite tính theo nitơ)

N-NO3

Nitrate Nitrogen (Nitrate tính theo nitơ)

NOB

Nitrite oxidation Bacteria (Vi khuẩn oxy hóa nitrite)

OLAND

Oxygen Limited Autotrophic Nitrification – Denitrification (Hệ
thống nitrate hóa và khử nitrate với lượng oxy giới hạn)

PNBCR

Polyester Non-woven Biomass Carrier Reactor (Bể giá thể polyester
nonwoven

PTN

Phịng thí nghiệm

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam


xi

SBR

Sequencing Batch Reactor (Bể phản ứng dạng mẻ)

SHARON

Single reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite
(Nitrate hóa cục bộ ammonium thành nitrite)

SNAP

Single-stage Nitrogen emoval using Anammox and Partial
nitriteation (Quá trình loại nitơ kết hợp nitrate hóa bán phần và
Anammox trong một bể phản ứng)

SRT

Sludge Retention Time (Thời gian lưu bùn)

SS

Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng)

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen (Tổng nitơ Kjeldahl)

TN

Total Nitrogen (Tổng nitơ)

TNRR

Total Nitrogen Removal Rate (Tải trọng loại bỏ tổng nitơ)

TSS

Total Suspended Solid (Tổng chất rắn lơ lửng)

TP

Total Phosphorous (Tổng Photpho)

VSS

Volatile Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng bay hơi)

UASB

Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bể dòng chảy ngược qua tầng
bùn kỵ khí)


1

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT
Năm 1995, một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng biết đến trước đó cả về lý
thuyết lẫn thực nghiệm được phát hiện; đó là phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium
(Anaerobic Ammonium Oxidation, viết tắt là Anammox). Trong phản ứng này
ammonium được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kỵ khí mà khơng cần cung cấp
chất hữu cơ để tạo thành nitơ phân tử. Sự phát triển quá trình Anammox đã mở ra
hướng mới trong công nghệ xử lý nitơ, đặc biệt là đối với nước thải có hàm lượng
nitơ cao.
Trong khoảng thời gian từ 1995 – 2004, phần lớn các nghiên cứu về quá trình
Anammox đều tập trung vào việc định hướng cho các ứng dụng vào thực tế (Jetten
và cộng sự, 2001) [29]. Những năm sau đó, q trình Anammox đã được ứng dụng
thành công đối với cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp tại các quốc gia
như Hà Lan, Đức, Nhật Bản, Bỉ, Thụy Sĩ và Anh. Gần đây, các nghiên cứu ứng
dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải đã được tiến hành ở Việt Nam. Tuy
nhiên, chưa có một nghiên cứu nào ở nước ta được thực hiện để đánh giá các thông
số động học của q trình Anammox. Do đó, nội dung chính của luận văn này sẽ tập
trung vào nghiên cứu các thơng số động học của q trình này.
1.2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Từ những vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu đánh giá các thông số động học
của quá trình Anammox” được thực hiện nhằm đạt được những mục tiêu chính
sau:
• Đánh giá được hiệu quả loại bỏ nitơ của q trình Anammox đối với nước thải
nhân tạo.
• Nghiên cứu được các thơng số động học của q trình Anammox.


2

1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nước thải nhân tạo có nồng độ nitơ tổng cao
bằng cách thêm NaNO2, NH4Cl và các hóa chất cần thiết khác.
1.4. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
Đề tài “Nghiên cứu đánh giá các thông số động học của quá trình Anammox”
bao gồm những nội dung chính sau:
− Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực xử lý nước thải sử
dụng quá trình Anammox cũng như các nghiên cứu về thơng số động học của q
trình này.
− Đánh giá khả năng xử lý nitơ của quá trình Anammox đối với nước thải nhân tạo.
− Nghiên cứu các thơng số động học của q trình Anammox bằng việc ứng dụng
các phương trình động học bậc nhất, bậc hai Grau, Stover – Kincannon và
Monod.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, tác giả luận văn đã sử dụng các
phương pháp nghiên cứu sau đây:
− Phương pháp tổng quan, thu thập tài liệu đã nghiên cứu, ứng dụng thực tế trong
và ngoài nước về công nghệ xử lý nitơ trong các loại nước thải;
− Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết lập và vận hành mơ hình thí
nghiệm;

− Phương pháp phân tích hóa học, sinh học đối với các thông số môi trường nước
thải.
− Phương pháp chuyên gia;
− Phương pháp so sánh;
− Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: Xử lý số liệu bằng các cơng thức tốn học
và phần mềm Excel.


3

1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
1.6.1. Tính mới
Đề tài “Nghiên cứu đánh giá các thông số động học của q trình Anammox” là
một trong những cơng trình nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này.
1.6.2. Tính khoa học
• Kết quả nghiên cứu đóng góp vào lý thuyết chung của q trình xử lý nitơ bằng
phương pháp sinh học.
• Là cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn thiết kế các cơng nghệ xử lý nước thải có áp
dụng q trình Anammox vào thực tế.
• Kết quả nghiên cứu của luận văn là tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu ứng
dụng quá trình Anammox trên nước thải thật.
1.6.3. Tính thực tiễn
• Kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng và mở rộng hướng xử lý cho các loại
nước thải có chứa hàm lượng nitơ cao.
• Việc đánh giá các thơng số động học của q trình Anammox là cơ sở cho việc
tính tốn thiết kế các hệ thống xử lý nước thải ứng dụng quá trình này.


4

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Nguyên tố nitơ là thành phần ln 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 dạng
hợp chất vô cơ, hữu cơ trong các sản phẩm cơng nghiệp và tự nhiên. Ơ nhiễm nitơ
thường do các hoạt động của con người làm xáo trộn chu trình chuyển hóa nitơ. Một
vài loại nước thải cơng nghiệp chứa ammonium với nồng độ lớn như nước thải sản
xuất chế biến thức ăn, đồ uống... Thêm vào đó, nước thải từ hoạt động chăn nuôi gia
súc và bãi chôn lấp cũng chứa nồng độ nitơ ammonium rất cao. Sự sinh trưởng và
phát triển của thực vật và tảo bị hạn chế bởi nồng độ nitơ và photpho trong nguồn
nước. Khi ammonium thải vào nguồn nước không chỉ gây sự phú dưỡng hóa mà cịn
gây ra nhiều vấn đề tiềm tàng khác cho môi trường như: (1) thực vật nước và tảo
phát triển quá mức sẽ gây ra hiện tượng bao phủ mặt nước, gây ra mất cảnh quan,
(2) tảo phát triển quá mức sẽ ảnh hưởng xấu đến hô hấp của động vật dưới nước, (3)
một vài lồi tảo có thể tạo ra chất độc ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển
của cá, tôm cua, (4) tảo cũng có thể gây ra vấn đề về mùi. Hơn nữa, sự hiện diện
của ammonium cao trong nguồn nước gây ra q trình nitrate hóa làm giảm mạnh
DO trong nước (q trình nitrate hóa tiêu thụ 4,6 mg O2/mgNH4+). Nồng độ DO bão
hòa trong nước khoảng 9 mg O2/L ở 200C và nhiều lồi cá khơng sống được nếu
nồng độ DO thấp hơn 2 mg O2/L. Vì thế việc sử dụng DO do q trình oxy hóa
ammonium có thể phá hủy hệ sinh thái thủy sinh. Ngoài ra, nồng độ ammonium tự
do từ 0,1- 10 mg NH3/L có thể gây độc cho các loài cá (Marina C. De Pra, 2011)
[36].
Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrate chứng tỏ quá trình phân hủy đã
kết thúc. Tuy vậy, nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí
hoặc kỵ khí, nitrate bị khử thành N2O, NO và N2 tách khỏi nước bay vào khơng khí.
Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 0,5 mg/L. Vùng bị ô nhiễm

5

do chất thải hoặc phân bón, hàm lượng nitrate trong nước trên 10 mg/L, làm cho
rong tảo phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thủy
sản. Bản thân nitrate khơng phải là chất có độc tính, nhưng ở trong cơ thể (với điều
kiện thích hợp ở đường tiêu hóa) nó bị chuyển hóa thành nitrite rồi kết hợp với một
số chất khác có thể tạo thành các hợp chất Nitrozo, là chất có khả năng gây ung thư.
Vì vậy, việc xử lý các hợp chất nitơ trong nước là vô cùng cần thiết.
Xử lý hợp chất nitơ trong nước có thể thực hiện bằng các phương pháp hóa lý, vật
lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc tách
loại, cách ly chúng ra khỏi mơi trường nước.
• Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển.
Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông
qua các q trình nitrate hóa và khử nitrate; q trình oxy hóa kỵ khí
ammonium và nitrite (Anammox).
• Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của sinh khối.
Q trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế
bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của
vi sinh vật. Q trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cơ sở của các phương pháp
xử lý bằng các loại thực vật.
• Bốc hơi ammonium vào bầu khí quyển. Phương pháp này là q trình chuyển
chất ơ nhiễm từ nước vào khơng khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại
vào môi trường nước ở những vị trí khác. Để thực hiện phương pháp trên,
ammonium phải tồn tại ở dạng bay hơi (trung hòa) nên để thúc đẩy q trình
cần phải sục khí với lượng rất lớn và ở nhiệt độ cao.
Tóm lại, hợp chất nitơ trong nước thải có thể được loại bỏ bởi nhiều phương pháp
hóa lý và sinh học khác nhau, nhưng phương pháp sinh học được dùng để xử lý nitơ
vẫn chiếm ưu thế do chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

6

2.2. CÁC Q TRÌNH HĨA LÝ XỬ LÝ NITƠ
Một vài q trình hóa lý đã được sử dụng để xử lý nitơ như: thổi khí kết hợp nâng
pH, điện ly, thẩm thấu ngược, khử bằng Clo, kết tủa bằng hóa chất, hấp phụ bằng
than hoạt tính, trao đổi ion. Mặc dù hiệu quả xử lý ổn định và khả năng thích nghi
tốt với những thay đổi của tính chất nước thải nhưng các phương pháp hóa học, lý
học vẫn mang một số nhược điểm như: mùi, ơ nhiễm khơng khí, chi phí hóa chất
cao, năng lượng cao, lượng bùn phát sinh lớn, địi hỏi trình độ vận hành, bảo trì
phức tạp và các mối quan tâm môi trường về việc sử dụng hóa chất gây ơ nhiễm thứ
cấp. Mặt khác, các q trình hóa lý thường có cơng suất xử lý hay quy mơ hệ thống
xử lý nhỏ. Vì thế, q trình nitrate hóa – khử nitrate sinh học truyền thống là một sự
lựa chọn mang tính phổ biến do hiệu quả xử lý cao, quá trình ổn định và đáng tin
cậy. Các q trình hóa lý xử lý nitơ và hiệu quả của chúng được trình bày trong
bảng 2.1.
Bảng 2.1 – Các quá trình xử lý nitơ và hiệu quả của chúng
Hiệu quả xử lý các hợp chất nitơ
Nitơ hữu cơ

N –NH4+

N – NO2-

%

%

%

0

60 – 95

0

50 – 90

100

30 – 50

30 – 50

40 – 50

60 – 90

60 – 90

60 – 90

80 – 90

Ít

90 – 100

0

80 – 95

Kết tủa bằng hóa chất

50 – 70

Ít

Ít

20 – 30

Hấp phụ bằng than hoạt tính

30 – 50

Ít

Ít

10 – 20

Ít

80 – 97

0

70 – 95

Các q trình hóa lý

Thổi khí nâng pH
Điện ly
Thẩm thấu ngược
Khử bằng Clo

Trao đổi ion
Nguồn: Cảnh và Phương (2002) [5].

TKN, %


7

2.3. CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC XỬ LÝ NITƠ
2.3.1. Quá trình sinh học sử dụng hồ thực vật thủy sinh
Các thực vật thủy sinh trong ao hồ như bèo hoa dâu, bèo tấm, rau muống, lục bình
và các loại tảo nổi trên mặt nước, một số rong rêu có rễ bám trong bùn, thân lá nằm
trong nước v.v… đều có khả năng hấp thu các hợp chất nitơ. Tại các vùng nước
nơng hoặc ven bờ các lồi lau, sậy, sú vẹt… là những nhóm thực vật có thể hấp thu
nitơ trong nước thải. Cơ chế xử lý nitơ và photpho ở các hệ thực vật này là hấp thu
và chuyển hóa nhờ hệ vi sinh vật bám rễ. Sử dụng hệ thực vật thủy sinh để xử lý
nước thải giàu nitơ là cơng nghệ xử lý có giá thành vận hành thấp. Tuy nhiên, các
phương pháp này thường đòi hỏi diện tích lớn và chỉ thích hợp với các vùng đất có
giá trị thấp. Hệ thực vật thủy sinh có thể làm thức ăn cho vật nuôi và nguyên liệu
cho ngành sản xuất thủ công mỹ nghệ. Khi sử dụng hệ thực vật thủy sinh vào quá
trình xử lý nước thải, người ta thường áp dụng vào công đoạn xử lý bậc cao nhằm
tăng chất lượng nước thải đầu ra hoặc sử dụng cho mục đích tưới tiêu.
2.3.2. Q trình sinh học nitrate hóa – khử nitrate truyền thống
Các quá trình khử nitơ bằng phương pháp sinh học truyền thống gồm hai giai đoạn

chính là giai đoạn nitrate hóa và khử nitrate, trong đó có sự tham gia chuyển hóa
của nhiều chủng vi sinh vật (VSV). Q trình nitrate hóa chuyển N-NH4+ thành NNO3– với các nhóm VSV hiếu khí tự dưỡng như Nitrosomonas và Nitrobacter. Quá
trình khử nitrate chuyển N-NO3– thành dạng khí N2 được xem là vơ hại đối với mơi
trường nhờ vào sự chuyển hóa của nhóm các VSV dị dưỡng thiếu khí. Dựa vào cơ
sở lý thuyết trên, nhiều công nghệ xử lý nitơ đã ra đời như mương oxy hóa, SBR, hệ
thiếu khí - hiếu khí…
Q trình nitrate hóa bao gồm 2 bước là oxy hóa ammonium thành nitrite và oxy
hóa nitrite thành nitrate nhờ vào 2 chủng vi khuẩn tự dưỡng: vi khuẩn oxy hóa
ammonium (AOB) và vi khuẩn oxy hóa nitrite (NOB).


8

Trong bước oxy hóa ammonium thành nitrite, Nitrosomonas là loại được tìm thấy
nhiều nhất trong nhóm AOB và một số loại khác như Nitrosococcus và
Nitrosospira.
Trong bước oxy hóa kế tiếp, Nitrobacter là loại được tìm thấy nhiều nhất trong
nhóm NOB và một số loài khác như Nitrospina, Nitrococcus và Nitrospira . Phương
trình mơ tả q trình được trình bày dưới đây:
NH4+ + 1,5 O2

NO2- + 2H+ + H2O

(2.1)

NO2- + 0,5 O2

NO3-

(2.2)

Tồn bộ q trình: NH4+ + 2O2

NO3-+ 2H+ + H2O

(2.3)

Từ phản ứng (2.3) cho thấy, cần khoảng 4,2 mg O2 để oxy hóa 1 mg N-NH4+ thành
1 mg N – NO3-. Lượng NH4+ tham gia vào việc hình thành tế bào vi khuẩn được mô
tả ở phản ứng sau:
NH4+ + 1,83O2 + 1,83HCO30,21C5H7O2N + 0,98NO3- + 1,401H2O + 1,88H2CO3

(2.4)

Lượng hóa chất u cầu cho q trình này có thể được tính tốn dựa vào phản ứng
(2.4). Trong q trình loại bỏ nitơ truyền thống, một lượng kiềm lớn được tiêu thụ
(8,63 mg HCO3- hoặc 7,1 mg CaCO3/mg N – NH4 bị oxy hóa).
Các yếu tố ảnh hưởng đến vi khuẩn nitrate hóa là nhiệt độ, pH, DO, NH3 tự do, acid
nitrous. Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrate, nhưng việc
định lượng ảnh hưởng của nó thì rất khó khăn. Nhiệt độ phù hợp cho vi khuẩn
nitrate hóa là khoảng 350C và dao động từ 40C – 450C (Tchobanoglous và cộng sự,
1991) [51]. pH cũng ảnh hưởng lớn đến vi khuẩn này, pH tối ưu cho vi khuẩn này
hoạt động là 7,5 – 8,6. Nồng độ DO nên duy trì lớn hơn 1 mg/L. Ngược lại, nồng độ
oxy thấp sẽ trở thành chất ức chế và q trình nitrate hóa sẽ chậm hoặc dừng lại.
Khử nitrate là quá trình chuyển nitrate thành nitơ tự do thông qua nitrite và các
chất trung gian khác dưới điều kiện thiếu khí. Việc chuyển hóa này có thể đạt được


9

nhờ một vài loại vi khuẩn như Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, Micrococcus,
Proteus (Tchobanoglous và cộng sự, 1991) [51]. Quá trình này địi hỏi nguồn
carbon (ví dụ như methanol, ethanol, acetate, glucose…) cho sự phát triển của vi
khuẩn dị dưỡng. Do đó giá thành xử lý sẽ tăng cao, nhất là khi nước thải có hàm
lượng nitơ cao và nguồn carbon hữu cơ có trong nước thải thấp (1g N – NO3- sẽ tiêu
tốn 2,47 g methanol). Việc khử nitrate này bao gồm 2 bước chính: nitrate chuyển
thành nitrite và nitrite chuyển thành một số sản phẩm trung gian trước khi được khử
thành khí nitơ.
Phương trình của q trình khử nitrate sử dụng methanol, acetate như là nguồn
carbon được chỉ ra sau đây (Tchobanoglous và cộng sự, 1991) [51].
−

6 NO3 + 5CH 3OH → 3N 2 + 5CO2 + 7 H 2 O + 6OH −

(2.5)

5CH 3COOH + 8 NO3− → 4 N 2 + 10CO2 + 6 H 2 O + 8OH −

(2.6)

Giống như q trình nitrate hóa, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate như
sự hiện diện của oxy tự do sẽ cản trở sự hoạt động hệ thống enzym cần cho q
trình khử nitrate. Thơng thường thì giá trị pH tăng lên trong suốt quá trình khử
nitrate thành khí nitơ do tạo ra độ kiềm. pH thích hợp cho q trình này dao động từ
7 đến 8 tùy thuộc vào cộng đồng vi khuẩn tham gia vào quá trình khử nitrate. Tốc
độ loại bỏ nitrate và tốc độ sinh trưởng của vi sinh cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
và nhiệt độ thích hợp là từ 35 – 500C. Hơn nữa, vi sinh vật rất nhạy cảm với sự thay
đổi của nhiệt độ (Tchobanoglous và cộng sự, 1991) [51].
Một số quá trình sinh học xử lý nitơ được phát triển dựa trên nguyên lý kết hợp q
trình nitrate hóa – khử nitrate như q trình Ludzack – Ettinger hiệu chỉnh, q trình

Bardenpho, mương oxy hóa…


10

Tuần hồn bùn lỏng
Nước ra

Nước vào

Thiếu khí

Hiếu khí

Lắng

Bùn tuần hồn

Bùn dư

Hình 2.1 – Quá trình Ludzack - Ettinger hiệu chỉnh
Tuần hồn bùn lỏng

Nước vào

Thiếu
khí

Hiếu
khí

Thiếu
khí

Hiếu
khí

Lắng

Nước ra

Bùn dư

Bùn tuần hồn

Hình 2.2 – Quá trình Bardenpho (4 pha)
2.3.3. Quá trình Anammox
2.3.3.1. Giới thiệu
Trên cơ sở tính tốn nhiệt động học Van de Graaf và cộng sự (1996) [53] đã dự báo
về sự tồn tại của các vi khuẩn tự dưỡng có khả năng oxy hóa ammonium bởi nitrate,
nitrite:
NH4+ + NO2- → N2 + NO3- + 2H2O

nG0 = - 357kJ/mol

(2.7)

5 NH4+ + 3 NO3- → 4N2 + 2H2O + 2H+

nG0 = - 297kJ/mol

(2.8)

5 NH4+ 1,5O2 → NO2- + 2H+ + 2H2O

nG0 = - 297kJ/mol

(2.9)

Mười bảy năm sau minh chứng đầu tiên về phản ứng Anammox mới được phát hiện
ở một bể lắng sau bể khử nitrate trong hệ thống xử lý và bể phân hủy bùn tại
Gistrocades (Delft, Hà Lan) (Mulder và cộng sự, 1995) [38]. Qua theo dõi sự cân
bằng nitơ, các tác giả đã phát hiện thấy sự giảm đồng thời nồng độ ammonium,
nitrate, nitrite cùng sự tạo thành nitơ phân tử ở điều kiện kỵ khí.


11

Nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Kỹ thuật Delft sau đó đã tiến hành các mơ tả
và xác nhận ban đầu quá trình Anammox (Jetten và cộng sự, 2001) [29]. Theo đó,
q trình Anammox được xác định là một q trình sinh học, trong đó ammonium
được oxy hóa trong điều kiện kỵ khí với nitrite là yếu tố nhận điện tử để tạo thành
nitơ phân tử với sự tham gia của vi khuẩn Anammox.
Tiếp theo đó, phản ứng Anammox cũng đã lần lượt được phát hiện và nhận dạng vi
khuẩn Anammox tại các hệ thống xử lý nước thải bởi các nhà khoa học Đức (Egli
và cộng sự, 2001) [19], Nhật Bản (Furukawa và cộng sự, 2000) [23], Thụy Sĩ
(Pynaert và cộng sự, 2004) [42] và Bỉ (Schmid và cộng sự, 2001) [45].
Sự phát hiện vi khuẩn Anammox ở các hệ thống xử lý nước thải đã dẫn các nhà
khoa học đến sự tìm kiếm trong hệ sinh thái tự nhiên. Phản ứng Anammox giữ 50%
vai trò tạo khí nitơ trong tầm tích biển Baltic, trong vùng nước thiếu khí ở đáy đại

dương ở Costa Rica (Dalsgaard và cộng sự, 2003) [14]. Các vi khuẩn Anammox
thuộc một chi mới cũng vừa được phát hiện trong vùng nước gần đáy biển Đen
(Kuypers và cộng sự, 2003) [34].
Trên cơ sở phát hiện mới về phản ứng Anammox, chu trình chuyển hóa nitơ tự
nhiên đã được bổ sung thêm một mắt xích mới là q trình Anammox.

Hình 2.3 – Chu trình chuyển hóa nitơ