Đặt vấn đề Nitơ cùng với photpho là chất dinh dƣỡng cần thiết cho sự sống. Tuy nhiên, nƣớc thải chứa nhiều nitơ thải vào nguồn nƣớc sẽ gây là những tác động xấu đến hệ sinh thái dƣới nƣớc, thậm chí hủy hoại sự sống của nguồn tiếp nhận. Các công nghệ xử lý nitơ hiện nay chủ yếu là dựa vào quá trình nitrat hóa và khử nitrat, công nghệ này có nhiều khó khăn nhƣ cần bổ sung nguồn cacbon, gây tốn kém chi phí, sinh khí độc, các công nghệ này chỉ xử lý đƣợc nitơ ở nồng độ thấp. Bên cạnh đó, hiện này có nhiều nguồn thải chứa nitơ hàm lƣợng cao nhƣ nƣớc thải chăn nuôi heo, thậm chí, có những nguồn thải có hàm lƣợng nitơ rất cao, mà nồng độ COD lại rất thấp nhƣ nƣớc rỉ rác củ, nƣớc thải từ bể tiêu hủy bùn.
Với những loại nƣớc thải này, để áp dụng công nghệ dựa trên quá trình nitrat hóa và khử nitrat sẽ cần bổ sung một lƣợng lớn COD từ bên ngoài, điều này là tốn kém về mặt kinh tế cho xử lý nƣớc thải. Vì vậy, cần phải có một công nghệ xử lý đƣợc nitơ từ những nguồn thải nhƣ vậy. Quá trình anammox là một quá trình chuyển hóa nitơ mới phát hiện từ năm 1995. Từ năm 1995 đến nay đã có nhiều nghiên cứu về quá trình này.
Ngƣời ta nhận thấy rằng áp dụng quá trình anammox để xử lý nitơ hàm lƣợng cao có rất nhiều ƣu điểm hơn so với công nghệ truyền thống. Đặc biệt, quá trình này không đòi hỏi cung cấp thêm nguồn cacbon bên ngoài, cũng nhƣ đây là quá trình xảy ra trong điều kiện kị khí, nên không cần năng lƣợng để cung cấp oxi, đây là một ƣu điểm rất lớn về mặt kinh tế cho xử lý nƣớc thải. Công nghệ SNAP xử lý nitơ áp dụng kết hợp quá trình nitrit hóa bán phần và anammox trong một bể phản ứng là một trong những công nghệ xử lý nitơ đã và đang đƣợc nghiên cứu. Công nghệ này hứa hẹn tạo ra đột phá cho quá trình xử lý nƣớc thải ô nhiễm nitơ hàm lƣợng cao.
Chính vì vậy đề tài nghiên cứu: ―Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ hàm lƣợng cao trong nƣớc thải bằng mô hình SNAP với giá thể biofix‖ cần đƣợc thức hiện để nghiên cứu ứng dụng quá trình SNAP vào thực tế. HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 1 Luận Văn Thạc Sĩ 1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ hàm lƣợng cao bằng công nghệ SNAP với nƣớc thải nhân tạo có nồng độ nitơ cao. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu tập trung vào: o Mô hình đƣợc thiết kế phù hợp để tạo điều kiện cho quá trình xử lý o Nƣớc thải giả mô phỏng nƣớc thải có nồng độ nitơ cao.
o Sử dụng giá thể biofix để làm vật liệu dính bám chi vi khuẩn 1. Nội dung nghiên cứu Nôi dung nghiên cứu bao gồm: o Thiết kế và lắp đặt mô hình thí nghiệm. o Kiểm soát các yếu tố pH, DO nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho hiệu quả xử lý. o Xác định hiệu quả xử lý nitơ ở từng tải trọng khác nhau.
Phƣơng pháp nghiên cứu o Tổng quan các tài liệu nghiên cứu về công nghệ xử lý nitơ ứng dụng quá trình SNAP. o Phƣơng pháp lấy mẫu và phân tích mẫu. o Phƣơng pháp tính toán và xử lý số liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hiểu rõ hơn quá trình loại bỏ nitơ trong nƣớc thải bằng công nghệ SNAP.
Cũng nhƣ khả năng loại bỏ nitơ của nó. Từ đó, tìm ra những điều kiện tốt nhất, cũng nhƣ thiết kế hệ thống phù hợp xử lý nƣớc thải có nồng độ nitơ cao bằng công nghệ SNAP. Tính mới của đề tài Nghiên cứu xử lý nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao ứng dụng vi khuẩn anammox là một hƣớng đi mới hứa hẹn nhiều lợi ích trong những năm gần đây, Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn mới, đã đƣợc nghiên cứu nhƣng chƣa đƣợc ứng dụng HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 2 Luận Văn Thạc Sĩ nhiều. Đặc biệt là ở Việt Nam, công nghệ này vẫn còn nghiên cứu một cách hạn chế và chƣa đƣợc ứng dụng vào thực tế.
HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về nitơ Nitơ tồn tại trong môi trƣờng rất nhiều dạng. Nó là yếu tố cơ bản cấu tạo thành 78% bầu khí quyển trái đất. Ở điều kiện bình thƣờng, nitơ chủ yếu ở trạng thái khí, là chất không mùi, không vị và trơ về mặt hóa học. Một trạng thái khác, nó còn là yếu tố cấu thành nên axit amin và axit nucleic, là chìa khóa của tất cả các sinh vật sống.
Nitơ là một yếu tố trong nƣớc thải của con ngƣời. Trong nƣớc thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dƣới 4 dạng chính: các hợp chất hữu cơ, amoni, nitrit và nitrat. Các dạng của nitơ luôn chuyển hóa lẫn nhau, và chủ yếu nhờ vào vi sinh vật, một phần nhờ vào hiện tƣợng vật lý nhƣ sấm chớp.1 thể hiện chu trình của nitơ trong tự nhiên.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ Nitơ đƣợc chuyển hóa trong môi trƣờng nhờ vi sinh vật và các phản ứng thuần hóa học. Các quá trình chuyển hóa nitơ bao gồm: quá trình cố định nitơ, quá trình amon hóa, quá trình nitrat hóa, quá trình khử nitrat, quá trình anammox.
Quá trình cố định nitơ Nitơ phân tử chiếm một lƣợng lớn nhất trong không khí nhƣng đa số các vi sinh vật không sử dụng đƣợc nguồn vô cơ này, chỉ có một số hấp thụ dạng này. Qua hoạt động của vi sinh vật hấp thụ dạng này, nitơ phân tử sẽ chuyển thành nitơ ở dạng hợp chất hay nitơ dạng vô cơ thành nitơ dạng hữu cơ, hoạt động này đƣợc gọi là sự cố định nitơ phân tử. Quá trình này đƣợc thực hiện nhờ sự xúc tác của enzyme nitrogenaza. Ngƣời ta đã tách đƣợc hệ thống nitrogenaza từ 15 loài vi sinh vật khác nhau.
Các loại vi sinh vật cố định nitơ có 2 loại: o Vi sinh vật cố định nitơ sống tự do: Azotobacteraceae, Bacillacear, Enterbacteriaceae…. o Các vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh: vi khuẩn nốt sần họ đâu (Rhizobium), vi khuẩn lam cố định nitơ sống cộng sinh. Quá trình amon hóa Quá trình amon hóa là quá trình chuyển hóa các hợp chất của nitơ bao gồm protein, Urê trong điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí dƣới dác dụng của các loại vi sinh vật để tạo thành NH3 hoặc NH4+ Quá trình amon hóa urê đƣợc chia làm hai giai đoạn. Đầu tiên, dƣới tác dụng của enzyme urease của vi sinh vật, urê sẽ bị thủy phân tạo thành muối cacbonat amoni.
Sau đó, cacbonat amoni đƣợc phân giải thành NH3, CO2 và nƣớc. Quá trình đó có thể đƣợc mô tả dƣới phƣơng trình 2.2) Một số loài vi khuẩn có khả năng amon hóa urê, chúng đều tiết ra enzym urease. Trong đó có một số loài phân giải cao nhƣ: Micrococcus Urêae, Bacillus HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ amylovorum, Proteus vulgaris…. Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, ƣa pH trung tính hoặc hơi kiềm.
Quá trình amon hóa protein là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, giải phóng NH3 do nhiều vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí gây ra nhƣ vi khuẩn, nấm mốc và xạ khuẩn. Tất các các vi sinh vật amon hóa đều tiết enzyme thủy phân protein ra ngoài môi trƣờng làm cho protein bị phân cắt thành pepton, polypeptid, dipeptid và axit amin. Các axit amin đƣợc đối tƣợng biến đổi trong tế bào thông qua con đƣờng trao đổi năng lƣợng và xây dựng tế bào, sản phẩm cuối cùng chủ yếu của quá trình vô cơ hóa hiếu khí protein là amoni, cacbonic, các muối của axit sulfuric và axit phosphoric. Trong điều kiện kị khí, các axit amin không đƣợc vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhƣ axit hữu cơ, rƣợu, H2S và những dẫn suất của nó nhƣ mecaptan, các chất độc nhƣ diammine và tomain (độc tố thối) các sản phẩm bốc mùi rất khó chịu nhƣ indol và scatol.
Quá trình amon hóa giữ vài trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn nitơ vì nhờ quá trình này mà nitơ chuyển từ dạng khó hấp thu sang dạng muối amoni dễ dàng đƣợc thực vật sử dụng, nhờ quá trình này mà NH3 luôn luôn đƣợc phục hồi, cung cấp dinh dƣỡng cho sinh vật. Có nhiều loại vi khuẩn, nấm mốc tham gia vào quá trình này, chủ yếu là các loại Bacillus nhƣ B. Số lƣợng của chúng trong thủy vực khác nhau rất khác nhau, thƣờng trong thủy vực nƣớc ngọt số lƣợng của chúng nhiều hơn các thủy vực nƣớc lợ, mặn. Nhiệt độ tối ƣu cho sự amon hóa là từ 25 – 30oC.
Do đó, và mùa đông sự amon hóa bị làm chậm đáng kể. Tuy nhiên, sự tăng mạnh số lƣợng vi khuẩn gây thôi trong mùa hạ chỉ xảy ra ở các thủy vực bị nhiễm nƣớc thải và thƣờng không thấy các sông hồ và vùng biển sạch. NH3 đƣợc hình thành trong quá trình amon hóa sẽ hòa tan vào trong muối hình thành ion NH4+ cho đến khi cân bằng đƣợc thiết lập. Tỉ lệ giữa NH3 và NH4+ trong nƣớc phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của môi trƣờng.
Quá trình nitrat hóa Quá trình nitrát hoá là quá trình ôxy hoá sinh hoá nitơ của các muối amoni, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dƣới tác dụng của vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện thích ứng [43]. Hai nhóm vi khuẩn quan trọng trong quá trình nitrat hoá là HVTH: HỒ THANH HIỀN Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có : Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng là vi khuẩn nitrat hoá. Các nhóm vi khuẩn này là những sinh vật tự dƣỡng hiếu khí, chúng lấy năng lƣợng từ sự oxi hoá hợp chất nitơ vô cơ và sử dụng CO2 để tổng hợp sinh khối.
Mỗi loài có khả năng oxi hoá nitơ tới mức độ nhất định. Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio có thể oxi hoá NH3 thành NO2- nhƣng không thể oxi hoá hoàn toàn thành NO3-. Trong khi đó, Nitrobacter lại chỉ oxi hoá NO2- thành NO3-. Trái với những vi sinh vật dị dƣỡng, vi khuẩn nitrat hoá tự dƣỡng phát triển rất chậm, tốc độ tăng trƣởng trên một đơn vị NH4+ hoặc NO2- bị oxi hoá thấp.
Thời gian một thế hệ là 0,42,5 ngày đối với Nitrosomonas và 0,31,5 ngày đối với Nitrobacter. Sản lƣợng tế bào là 0,29gtế bào khô/gN oxi hóa với Nitrosomonas và 0,08gtế bào khô/gN oxi hóa với Nitrobacter.
