Chương IT Ôkd nr k - ON 6 é nitơ Nito tồn tai trong môi trường ở rất nhiều dạng. Nó là yếu tố cơ ban cau tao thành 78% bau khí quyền trái đất. Ở điều kiện bình thường, 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 cau thành nên axit amin, axit nucleic và là chìa khóa của tất cả các sinh vật sống.
Nito là một thành phan trong nước thai của con người. Trong nước thai, các hợp chất của nitơ tồn tại đưới 4 dạng chính: các hợp chất hữu cơ, amoni, nitrit và nitrat. Các dang của nito luôn chuyển hóa lẫn nhau và chủ yếu nhờ vào vi sinh vật, một phan nhờ vào hiện tượng vật lý như sam chớp. Nitơ được chuyền hóa trong môi trường nhờ vi sinh vat và các phản ứng thuần hóa học.
Các quá trình chuyển hóa nitơ bao gồm: quá trình cố định nitơ, qua trình amon hóa, quá trình nitrat hóa, quá trình khử nitrat và được thé hiện ở Hình 2. L Kết hợp cé định N+ phân tử Nite hữu cơđộng. thực vật (Protein, peptit.), uré † Tu phan Lhuý ph in \ 1 Oxi hoa | amon hoá do vi khuan +] Đồng hoá Nitơ trong thành phan 'Fế bào vị khuẩn chế son N- NHạ | tếPi bào vi, khuẩn FS l € bao vi khuan chết Nitrosomonas | Oxi hoá nội sinh | Or : : > NO Nitrat hoa 2 ; Khử Nitrat Nitrobacter (P.denitrificans, B, lichenifomis, O2 Ỷ - Thiobacillus re denitrific: | 1} — | N°; }—-Ro3] — Nitơ phân tử (N3) COz + H20— Anoxic Chu trình Nitơ và sự chuyển Cacbon hưu cơ hoa Nitơ trong xử lý sinh hoá = : Phan Nitrat hoa Hình 2. Chu trình chuyển hóa nito bởi vi sinh vật (Phước, 2010) ONNn ê định nitơ Nitơ phân tử chiếm một lượng lớn nhất trong không khí nhưng đa số các vi sinh vật không sử dụng được nguén vô co này, chỉ có một số hấp thụ dang này.
Qua hoạt động của vi sinh vật hấp thụ dạng nảy, nitơ phân tử sẽ chuyển thành nitơ ở dạng hợp chất hay nitơ dạng hữu cơ, hoạt động này được gọi là sự cô định nitơ phân tử. Quá trình này được thực hiện nhờ vào sự xúc tác của enzyme nitrogenaza. Người ta đã tách được hệ thống nitrogenaza từ 15 loài vi sinh vật khác nhau. Các loại vi sinh vật cố định nitơ có 2 loại, bao gồm: - Vị sinh vật cố định nïơ sống tự do: Azotobacteraceae, Bacillacear, Enterbacteriaceae.
- _ Các vi khuân cố định nito cộng sinh: vi khuẩn nốt san họ đậu (Rhizobium), vi khuẩn lam cô định nitơ sống cộng sinh. ONO n é a Quá trình amon hóa chuyển hóa các hợp chat của nito bao gồm protein, uré trong điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí dưới tác dụng của các loại vi sinh vat dé tạo thành NH; hoặc NH¿”. Quá trình amon hóa urê được chia làm hai giai đoạn. Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease của vi sinh vật, urê sẽ bị thủy phan tạo thành muối cacbonat amoni.
Sau đó, cacbonat amoni được phân giải thành NH3, CO; và nước. Quá trình đó có thé được mô tả dưới 2 phương trình (2.1) (NHy)2CO; —> 2 NH; + CO: + HO (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 như: Micrococcus Ureae, Bacillus amylovorum, Proteus vulgaris. Da số chúng đều thuộc nhóm hiếu khí hoặc ky khí không bắt buộc, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm.
Quá trình amon hóa protein là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nito, giải phóng NH; do nhiều vi sinh vật hiểu khí va ky khí gây ra như vi khuẩn, nấm mốc va xạ khuẩn. Tất cả các vi sinh vat amon hóa đều tiết enzyme thủy phân protein ra ngoài môi trường làm cho protein bi phân cắt thành pepton, polypeptid, dipeptid và axit amin. Các axit amin được biến đổi trong tế bào thông qua con đường trao đối năng lượng 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 được vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NHạ và CO, còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu, H;S và những dẫn xuất của nó như mecaptan, các chất độc như diammine và tomain (độc tố thối) các sản phẩm bốc mùi rất khó chịu như indol và scatol.
Quá trình amon hóa giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn nito vì nhờ quá trình này mà nitơ chuyển từ dạng khó hấp thu sang dang muối amoni được 4 thực vật sử dụng dé dàng, nhờ quá trình nay mà NH; luôn luôn được phục hồi, cung cấp dinh dưỡng cho sinh vật. Có nhiều loại vi khuẩn, nắm mốc tham gia vào quá trình này, chủ yếu là các loại Bacillus như B. Số lượng của chúng trong thủy vực khác nhau rất khác nhau, thường trong thủy vực nước ngọt số lượng của chúng nhiều hơn các thủy vực nước lợ, mặn. Nhiệt độ tối ưu cho sự amon hóa là từ 25 — 30°C.
Do đó, vào mùa đông sự amon hóa bị làm chậm dang kê. Tuy nhiên, sự tăng mạnh số lượng vi khuẩn gây thối trong mùa hạ chỉ xảy ra ở các thủy vực bị nhiễm nước thải và thường không thấy các sông hỗ va vùng biển sạch. NH; được hình thành trong quá trình amon hóa sẽ hòa tan vào trong nước hình thành ion NH," cho đến khi cân bang duoc thiét lập. Ti lệ giữa NH; va NH, trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của môi trường.
ONP n é aé Quá trình nitrat hoá là quá trình oxy hoá sinh hoá nito của các muối amoni, đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat dưới tác dung cua vi sinh vat hiểu khí trong điều kiện thích ứng. Hai nhóm vi khuẩn quan trọng trong quá trình nitrat hoá là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có: Nitrosospira, Nitrosolobus va Nitrosovibrio cũng là vì khuẩn nitrat hoá. Các nhóm vi khuẩn này là những vi sinh vật tự dưỡng hiếu khí, chúng lay năng lượng từ sự oxi hoá hợp chất nito vô co và sử dụng CO; dé tổng hợp sinh khối.
Mỗi loài có khả năng oxi hoá nitơ tới một mức độ nhất định. Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus va Nitrosovibrio có thé oxi hoá NH," thành NO, nhưng không thé oxi hoá hoàn toàn thành NO;. Trong khi đó, Nitrobacter lại chỉ oxi hoa NO, thành NO;. Trái với những vi sinh vật dị dưỡng, vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng phát triển rất chậm, tốc độ tăng trưởng trên một đơn vị NH, hoặc NO,’ bị oxi hoá thấp.
Thời gian một thế hệ là 0,4 - 2,5 ngày đối với Nitrosomonas và 0,3 - 1,5 ngày đối với Nitrobacter. Sản lượng tế bào là 0,29 g tế bào khô/gN oxi hóa với Nitrosomonas và 0,08 g tế bào khô/gN oxi hóa với Nitrobacter. Nhưng cũng giống như các vi sinh vật khác, vi khuẩn nitrat hoá có thể sinh trưởng ở tốc độ cực đại khi điều kiện môi trường là tôi ưu và không có các độc chất. Gan đây hàng loạt các loại vi khuẩn dị dưỡng có khả năng oxi hóa NH,’ và các hợp chất nitơ hữu cơ thành NO;, NO; đã được công bố.
Ví dụ: Methylococcus capsulata Miletylomonas methanica, Methylosinus trichosporium, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera pantotropha, Thiobacilus novellus. Các số liệu thu được cho thấy quá trình nitrat hóa nhờ các vi khuẩn dị dưỡng có tầm quan trọng đặc biệt bởi nó dé sinh trưởng và phát triển ở mọi loại môi trường, kể cả nơi giàu hay nghèo chất hữu cơ. Mặc dù khả năng oxi hóa NH," của các vi khuẩn dị dưỡng nhỏ hơn từ 10”- 10° lần khả năng oxi hóa NH, của các vi khuẩn tự dưỡng. song bù lại chúng lại có khả năng phát triển nhanh hơn rất nhiều lần.
Hơn nữa ngoài khả năng oxi hóa NH¿”, các vi khuẩn dị dưỡng còn có cả enzym khử nitrat (nitratreductaza) thành N, ngay cả trong điều kiện có O; bởi vậy chúng cũng là các vi khuẩn lý tưởng trong xử lý 6 nhiễm môi trường do NH¿`, NOz, NO¿”. Có 2 điều kiện cần phải được đáp ứng dé quá trình nitrat hoá có thể xảy ra. Thứ nhất, tuôi bùn phải đủ cao để ngăn sự rửa trôi của bùn theo nước trong hệ thống bùn hoạt tính. Thứ hai, thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn và amoni phải đủ dài.
Ngoài ra, các yếu tổ như DO, pH, nhiệt độ. cũng ảnh hưởng tới qua trình. Vì vậy, để quá trình nitrat hoá đạt hiệu quả cao, cần tạo được môi trường thích hợp cho sự phát triển của cả hai nhóm vi khuẩn nitrat hoá. % Coché ủ é Trong quá trình nitrat hoá, NH,” bi oxi hoá theo 2 giai đoạn (2.4): Nitrosomonas NH, + 1,5 O> > NO,+2H +H,O (2.3) Nitrobacter Giai đoạn dau tiên được gọi là quá trình nitrit hóa, giai đoạn tiếp theo được gọi là giai đoạn nitrat hóa.
Năng lượng sinh ra từ 2 phản ứng trên được cung cấp cho Nitrosomonas và Nirobacter dé tông hop sinh khối. Trong đó, phản ứng đầu sinh ra khoảng 58 - 84 kcal/mol NH¿”, phan ứng hai sinh ra 15,4 - 20,9 kcal/mol NH¿”. Do đó, Nitrosomonas nhận được nhiều năng lượng hơn Nitrobacter. Tổng hợp quá trình chuyển hoá NH, thành NOx, phương trình (2.3) Sử dụng công thức kinh nghiệm C;H;NO; biểu diễn tế bao vi khuẩn được tông hợp, có thể kết hợp phương trình oxi hóa NH,, NO; với sự tạo thành Nitrosomonas và Nitrobacter, phương trình (2.
ê 6ñ ảnh hưởng dé é aé Anh hưởng cua nhiệt độ: Nhiệt độ tôi ưu cho quá trình sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hoá là 28 - 36°C, trong đó khoảng nhiệt độ chấp nhận được là từ 5 - 50°C. Tuy nhiên, khi nhiệt độ nhỏ hơn 15°C tốc độ nitrat hoá diễn ra chậm và hầu như vi khuẩn nitrat hoá không còn sinh trưởng ở nhiệt độ nhỏ hơn 4°C. Nhiệt độ quá cao làm biến tinh protein, gây chết vi sinh vật. Khoảng nhiệt độ gây chết vi khuẩn Nitrosomonas khoảng 55 - 58”C.
Anh hưởng của DO: Vi quá trình nitrat hoá là quá trình hiéu khí nên đòi hỏi sự có mặt của oxi. Theo tính toán ở phân trên, DO 4,6 mg/mg NH, -N chỉ là vừa đủ để sử dụng cho quá trình nitrat hoá. Trong hầu hết các hệ thống xử lý, oxi còn được sử dụng để oxi hoá các chất khác ngoài NH," trong nước thải, do đó tổng lượng oxi thực tế là cao hơn. Nông độ oxi hoà tan có ảnh hưởng quan trọng tới tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hoá và tốc độ quá trình nitrat hoá trong hệ thống xử lý nước thải.
Anh hưởng của pH: giá trị pH toi ưu cho quá trình nitrat hoá là trong khoảng 8 - 9.