TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
  







HỒ NGỌC HIỀN



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG



NGHIÊN CỨU SỰ PHẢN NITRATE HÓA
ĐẠM AMÔN TRONG NƯỚC Ở ĐIỀU KIỆN
PHÒNG THÍ NGHIỆM







Cán bộ hướng dẫn: LÊ ANH KHA

Cần Thơ, 12/2013
PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG

Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Nghiên cứu sự phản nitrate hoá
đạm amôn trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm”, do Hồ Ngọc Hiền thực
hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua.


Cán bộ phản biện Cán bộ phản biện






PGS. Nguyễn Văn Công ThS. Nguyễn Thị Như Ngọc



Cán bộ hướng dẫn







ThS. Lê Anh Kha




LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là một thử thách đối với tôi vì nó đánh dấu một bước
ngoặc trước khi tốt nghiệp. Sau một khoảng thời gian khá dài thực hiện đề tài luận
văn của mình tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ mọi người. Giờ đây, khi hoàn
thành tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô bộ môn Khoa học Môi
Trường – Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên đã truyền dạy vốn kiến thức
quý báu, những kinh nghiệm thực tế để từ đó tạo cơ hội cho tôi thực tập tốt và thực
hiện đề tài của mình.
Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Anh Kha đã tận tình
giúp đỡ, chỉ dạy tôi trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Khoa học Môi trường – K36 đã
giúp đỡ và bổ sung những kiến thức cho đề tài luận văn của tôi.
Trong quá trình hoàn thành luận văn mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng cũng
không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến cũng
như bổ sung của quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 25 tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện


Hồ Ngọc Hiền

i

TÓM LƯỢC

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nitơ gồm phương pháp hóa học,
phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên, việc áp
dụng quá trình sinh học để xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ đang được chú ý
và đẩy mạnh. Đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân
hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tạo ra các sản phẩm có lợi như cacbonic,
nước và các chất vô cơ khác. Do vậy, đây là phương pháp tiết kiệm chi phí vận
hành và thân thiện với môi trường. Từ nhiều công trình nghiên cứu cho thấy có
nhiều phản ứng phức tạp xảy ra ở màng sinh học (biofilm). Đây là một nghiên cứu
nhằm ứng dụng giai đoạn khử nitrate hóa xảy ra ở màng sinh học để loại bỏ nitơ
trong nước thải tổng hợp. Một hệ thống xử lí dạng bể liên tục chứa đựng vật liệu tự
chế là các khối bê tông có sự tham gia của màng sinh học (biofilm) được bố trí ở
phòng thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng, khi sử dụng các khối vật liệu không có
lớp màng biofilm thì hệ thống xử lý nitrate không đạt hiệu quả. Nồng độ
nitrate đầu vào và đầu ra ít dao động, nước thải đầu ra vẫn còn tồn tại dạng
đạm amon. Khi hệ thống sử dụng các khối vật liệu có lớp màng biofilm và
được cung cấp lượng cacbon từ bên ngoài thì hệ thống loại được hơn 98%
đạm nitrate, nồng độ TN giảm hơn 76%, nước thải đầu ra không còn đạm
nitrite và amon, đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40: 2011/BTNMT.

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
TÓM LƯỢC i
MỤC LỤC ii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3
2.1 Đặc điểm nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản 3
2.2 Sơ lược về các hợp chất nitơ trong nước 7
2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải 8
2.3.1 Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng 8
2.3.2 Tác hại của nitơ đối với môi trường 8
2.3.3 Tác hại của nitơ đối với quá trình xử lý nước 9
2.4 Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ 9
2.4.1 Quá trình amôn hoá 9
2.4.2 Quá trình nitrate hoá 10
2.4.3 Quá trình khử nitrate hoá 11
2.5 Các điều kiện để phản ứng loại nitrate xảy ra 13
2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate 14
2.7 Sơ lược về hệ vi sinh vật trong nước 15
2.8 Tác động của một số yếu tố lý hoá lên sinh trưởng và phát triển của vi
sinh vật trong nước 18
2.8.1 Nhiệt độ 18
2.8.2 pH môi trường 19
2.8.3 Ảnh hưởng của oxy đối với sinh vật kỵ khí 19
2.8.4 Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời 20
2.8.5 Nhu cầu oxy hoá học (COD) 20
2.9 Sinh trưởng bám dính của màng sinh học (Biofilm) 20
2.10 Một số phương pháp xử lý nitơ trong nước thải 22
2.10.1 Phương pháp lý hóa 22
iii

2.10.2 Phương pháp trao đổi ion 23
2.10.3 Phương pháp sinh học 23
2.11 Các công trình nghiên cứu có liên quan 27

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 29
3.2 Phương tiện nghiên cứu 29
3.3 Phương pháp nghiên cứu 29
3.3.1 Tạo vật liệu thí nghiệm 29
3.3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 31
3.3.3 Phương pháp thu mẫu 33
3.3.4 Phương pháp phân tích mẫu 34
3.3.5 Phương pháp xử lý số liệu 34
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35
4.1 Kết quả tạo màng biofilm cho vật liệu thí nghiệm 35
4.2 Kết quả thí nghiệm với dung dịch nước thải pha từ hóa chất có nồng độ
tương đương với nước thải nhà máy chế biến thủy sản 36
4.2.1 Nhiệt độ 36
4.2.2 pH 37
4.2.3 EC 39
4.2.4 DO 40
4.2.5 COD 42
4.2.6 Tổng đạm 44
4.2.7 Tổng lân 46
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50
5.1 Kết luận 50
5.2 Kiến nghị 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

iv

DANH SÁCH BẢNG


Bảng 2.1: Đặc trưng thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp
(trước xử lý) 3
Bảng 2.2: Thành phần các chất trong nước thải của nhà máy chế biến thủy
sản 4
Bảng 2.3: Thành phần nước thải công nghiệp của một số nhà máy chế biến
thủy sản tiêu biểu 5
Bảng 2.4: Giá trị nồng độ các chất ở đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý
nước thải công nghiệp chế biến thủy hải sản An Giang 6
Bảng 3.1: Tên và lượng hóa chất được đưa vào bể cấp 33
Bảng 3.2: Phương pháp phân tích từng chỉ tiêu 34

v

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học 13
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 32
Hình 4.1: Khối bê tông không có màng biofilm 35
Hình 4.2: Khối bê tông sau khi tạo màng biofilm 35
Hình 4.3: Sự biến động nhiệt độ (
o
C) giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống
thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 36
Hình 4.4: Sự biến động pH giữa các điểm thu mẫu trong hệ thống thí nghiệm
khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 37
Hình 4.5: Sự biến động độ dẫn điện (EC, µS/cm) giữa các điểm thu mẫu
trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 39
Hình 4.6: Sự biến động oxy hòa tan (DO, mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong
hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 41
Hình 4.7: Sự biến động của COD (mg/L) giữa các điểm thu mẫu trong hệ

thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 43
Hình 4.8: Sự biến động nồng độ Photphorus (mg/L) giữa các điểm thu mẫu
trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 44
Hình 4.9: Sự biến động nồng độ Nitrogen (mg/L) giữa các điểm thu mẫu
trong hệ thống thí nghiệm khử nitrate với nguồn cấp pha từ hóa chất 46


1

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
Hiện nay, nước ta không ngừng đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa nhằm
thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế. Điều đó dẫn đến hàng loạt các khu công nghiệp
mọc lên, nếu không có sự kiểm soát và quản lý chặt chẽ thì sự phát triển về kinh tế sẽ
đánh đổi bằng sự phá hoại về môi trường và cuối cùng dẫn đến ô nhiễm môi trường.
Vấn đề ô nhiễm do khu công nghiệp, đặc biệt ô nhiễm môi trường nước là vấn đề bức
thiết cần có sự quan tâm chặt chẽ của cấp quản lý và ban ngành có liên quan. Nước thải
từ các khu công nghiệp chứa hàm lượng đạm, lân, các chất hữu cơ độc hại khó phân
hủy, các loại vi trùng gây bệnh,… rất cao, đặc biệt là các nhà máy chế biến thủy sản
đều chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để trước khi đưa ra môi trường bên ngoài
(Bùi Thị Nga, 2006). Trong đó, sự ô nhiễm nitrate là mối quan tâm từ trước đến nay, vì
đây là nguồn dinh dưỡng tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng phú dưỡng của các
thủy vực, tảo phát triển mạnh, khi chết đi sẽ phóng thích các độc tố làm ảnh hưởng đến
đời sống của thủy sinh vật, gây ra hiện tượng ô nhiễm các kênh rạch, và trong hệ tiêu
hóa của con người NO
3
-
sẽ bị chuyển hóa thành nitrosamine là hợp chất gây ung thư
(Lương Đức Phẩm, 2007) làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng.
Theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết (2000), nước thải sau khi qua các giai

đoạn xử lý của nhà máy chỉ làm giảm phần nào nguồn cacbon hữu cơ, còn lại chất
dinh dưỡng đạm và lân. Sau khi xử lý sinh học, bình thường nước thải có thể giảm
được 90 - 98% BOD, nhưng tổng nitơ chỉ giảm được 30 – 40% và khoảng 30%
lượng photpho. Khi trong nước thải có hàm lượng N từ 30 – 60mg/l và hàm lượng P
từ 4 – 8mg/l sẽ là môi trường quá giàu dinh dưỡng rất thích hợp cho rêu tảo và thực
vật thuỷ sinh phát triển (Lương Đức Phẩm, 2007). Vì vậy việc áp dụng, lựa chọn các
phương pháp hợp lý để xử lý nguồn nước thải là hết sức quan trọng.
Công nghệ xử lý nước thải ngày càng đi sâu vào áp dụng công nghệ sinh học
và các biện pháp sinh học cũng đã chứng minh hiệu quả xử lý triệt để, hơn hẳn
những biện pháp xử lý hóa lý khác. Phương pháp xử lý nước thải dùng hệ vi sinh
vật bám dính có ưu điểm gọn nhẹ, đơn giản và tiết kiệm trong vận hành đã mở ra
triển vọng ứng dụng rộng cho các công trình xử lý nước thải.
Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu loại bỏ dinh dưỡng đạm lân trong
nước thải bằng biện pháp sinh học như: Sử dụng hạt đất nung và khối bê tông để
loại bỏ đạm và lân trong nước (Lê Anh Kha, 2003), nghiên cứu tính đa dạng nhóm
vi sinh vật nitrate hoá (Slil et al., 2007), nghiên cứu xử lý nước ngầm nhiễm amoni
bằng phương pháp sinh học kết hợp nitrate hoá và khử nitrate với giá thể vi sinh là
sợi Acrylic (Nguyễn Việt Anh và ctv, 2005) và thí nghiệm khử nitơ amôn trong
2

nước ngầm bằng công nghệ sinh học ứng dụng giá thể vi sinh dạng sợi Polyester
(Lều Thọ Bách, 2009). Theo Trần Đức Hạ (2002) để loại dinh dưỡng đạm trong
nước bằng biện pháp sinh học cần thiết phải có nitrate hoặc nitrite,… Chứng tỏ việc
loại đạm, lân trong nước thải đang được quan tâm và đạt được nhiều kết quả.
Quá trình chuyển hoá nitơ là rất quan trọng trong xử lý nước thải, được xem
là một cách loại thải amôn và nitrate thừa trong môi trường. Trong xử lý nước thải,
sự loại thải hợp chất đạm có thể được thực hiện bởi sự kết hợp của quá trình nitrate
hoá và quá trình khử nitrate. Thông qua quá trình phản nitrate hoá, nitrate được
chuyển hoá thành N
2

O hoặc N
2
bay vào khí quyển làm giảm hàm lượng đạm trong
nước thải. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sự phản nitrate hoá đạm amôn trong
nước ở điều kiện phòng thí nghiệm” được thực hiện.
 Mục tiêu nghiên cứu
Sử dụng vật liệu bám dính khảo sát sự phản nitrate hoá đạm amôn trong dung
dịch pha từ hóa chất ở điều kiện phòng thí nghiệm để có thể ứng dụng vào thực tế
xử lí nước thải sinh hoạt, nước thải của trại chăn nuôi, xí nghiệp giết mổ gia súc hay
nước thải của xí nghiệp chế biến thuỷ hải sản trước khi thải vào sông rạch tự nhiên.
 Nội dung nghiên cứu
Tạo các khối bê tông có dạng khối lập phương từ những nguyên liệu dễ tìm
và rẻ tiền như cát, đá, xi măng.
Tạo lớp màng biofilm trên bề mặt vật liệu bám dính có nguồn gốc từ hệ vi
sinh vật có sẵn trong hệ thống nước thải nhà máy chế biến thủy sản.
Thực hiện thí nghiệm với nước thải tổng hợp có nồng độ tương đương với
nồng độ nước thải sau giai đoạn nitrate hóa của nhà máy chế biến thủy sản dựa theo
các tài liệu tham khảo.
Theo dõi sự phản nitrate hóa đạm amôn trong bể phản ứng để tính hiệu suất
xử lý của vật liệu.
3

CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Đặc điểm nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản
Thành phần nước thải các khu công nghiệp phụ thuộc vào ngành nghề của
các cơ sở sản xuất trong khu công nghiệp.
Thành phần nước thải của các khu công nghiệp chủ yếu bao gồm các chất lơ
lửng (SS), chất hữu cơ (thể hiện qua hàm lượng BOD, COD), các chất dinh dưỡng
(biểu diễn bằng hàm lượng tổng nitơ và tổng photpho) và kim loại nặng.

Bảng 2.1: Đặc trưng thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp (trước xử lý)
Ngành công nghiệp
Chất ô nhiễm chính
Chất ô nhiễm phụ
Chế biến đồ hộp, thủy sản,
rau quả, đông lạnh
BOD, COD, pH, SS
Màu, tổng P, N
Chế biến nước uống có cồn,
bia, rượu
BOD, pH, SS, N, P
TDS, màu, độ đục
Chế biến thịt
BOD, pH, SS, độ đục
NH
4
+
, P, màu
Sản xuất bột ngọt
BOD, SS, pH, NH
4
+
Độ đục, NO
3
-
, PO
4
3-
Cơ khí
COD, dầu mỡ, SS, CN

-
, Cr,
Ni
SS, Zn, Pb, Cd
Thuộc da
BOD
5
, COD, SS, Cr, NH
4
+
,
dầu mỡ, phenol, sunfua
N, P, tổng Coliform
Dệt nhuộm
SS, BOD, kim loại nặng,
dầu mỡ
Màu, độ đục
Phân hóa học
pH, độ acid, F, kim loại
nặng
Màu, SS, dầu mỡ, N, P
Sản xuất phân hóa học
NH
4
+
, NO
3
-
, ure
pH, hợp chất hữu cơ

Sản xuất hóa chất hữu cơ, vô
cơ
pH, tổng chất rắn, SS, Cl
-
,
SO
4
2-

COD, phenol, F, Silicat, kim
loại nặng
Sản xuất giấy
SS, BOD, COD, phenol,
lignin, tannin
pH, độ đục, độ màu
(Nguồn: Quan trắc và kiểm soát ô nhiễm môi trường nước, Lê Trình, NXB KHKT, 1997)
Ngành chế biến thủy sản đã sử dụng một lượng nước rất lớn trong quá trình
chế biến đồng thời cũng thải ra môi trường một lượng lớn nước thải cùng với các
chất thải rắn (đầu, dè, mực, vây, vỏ tôm,…)
Lượng nước thải từ các công nghệ rất khác nhau, phụ thuộc vào lượng nước
cấp, quy trình công nghệ, phương pháp chế biến, tình trạng máy móc. Lượng nước
4

thải từ các công ty dao động rất lớn, ở Việt Nam nước thải tính trên một tấn sản
phẩm dao động từ 30 – 200m
3
.
Khối lượng và chế độ thải nước, thành phần và tính chất nước thải tuỳ thuộc
vào nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là: nguyên liệu và các hoá chất sử dụng trong sản
xuất; dây chuyền công nghệ sản xuất; chất lượng nước tiêu thụ cho các nhu cầu sản

xuất; điều kiện địa phương (Trần Hiếu Nhuệ, 1999).
Thành phần chính của nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản gồm có:
- Nước thải sản xuất là loại nước dùng để rửa thuỷ sản trong sản xuất.
- Nước thải vệ sinh công nghiệp là loại nước dùng để vệ sinh tay, chân công
nhân trước khi vào ca sản xuất, rửa dụng cụ chế biến, thiết bị, máy móc và sàn nhà
phân xưởng mỗi ngày,…
- Nước thải sinh hoạt từ hoạt động sinh hoạt của cán bộ, công nhân viên trong
nhà máy.
Hiện nay, lượng nước thải sinh ra từ lĩnh vực chế biến thủy sản khá lớn, cụ
thể như tổng lượng nước thải từ các Khu công nghiệp ở Đồng bằng sông Cửu Long
là 13.700 m
3
/ngày, trong đó Cần Thơ chiếm 11.300 m
3
/ngày (Bộ Tài nguyên Môi
Trường, 2009).
Theo Viện Công nghệ Môi trường – Trung tâm KHTN&CN Quốc gia: Nước
thải nhà máy chế biến thuỷ sản được đặc trưng bởi hàm lượng ô nhiễm chất hữu cơ
và nitơ cao. Nồng độ BOD ≥ 1000mg/l và tổng nitơ ≥150mg/l. Tỉ lệ COD/BOD
5

nằm trong khoảng 1.1 – 1.3, cho phép xử lý nước thải theo phương pháp sinh học
đạt hiệu quả cao. Số liệu khảo sát tại một số nhà máy chế biến thuỷ sản tại Việt
Nam về thành phần các chất ô nhiễm thể hiện ở bảng sau:
Bảng 2.2: Thành phần các chất trong nước thải của nhà máy chế biến thuỷ sản
Đơn vị tính: mg/l
Thành phần
Hàm lượng
Chất rắn lơ lửng
COD

BOD
Tổng nitơ
Photpho
800 – 2000
700 – 1500
600 – 1300
100 – 350
30 – 70
Đặc điểm nước thải thủy sản là bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, chất rắn lơ
lửng, các chất dinh dưỡng và vi sinh vật gây bệnh. Các chất ô nhiễm này khi thải ra
ngoài môi trường gây ô nhiễm lan tỏa tới môi trường đất, nước, không khí, ảnh
hưởng tới kinh tế, cảnh quan và sức khỏe con người.
5

Nước thải chế biến thủy sản có hàm lượng COD dao động trong khoảng
1000÷1200 mg/L, hàm lượng BOD
5
cũng khá lớn từ 400÷3800 mg/L, nồng độ chất
rắn lơ lửng từ 125÷400 mg/L, trong nước còn chứa các vụn thủy sản và các vụn này
thường dễ lắng, hàm lượng nitơ từ 57÷120 mg/L và photpho từ 13÷90 mg/L, tổng vi
khuẩn hiếu khí từ 10
4
– 10
5
khuẩn lạc/100ml.
Bảng 2.3: Thành phần nước thải công nghiệp của một số nhà máy chế biến thủy sản (CBTS)
tiêu biểu.
Thành phần hóa học
Nhà máy CBTS Phương
Nam (tỉnh Sóc Trăng)

Xí nghiệp đông lạnh TS 30-4
(Thị xã Vĩnh Long)
pH
6.5 – 7.5
6.6 – 6.7
COD (mg/L)
1200
1780
BOD
5
(mg/L)
800
1100
Tổng N
98
85
Chất rắn lơ lửng
(mg/L)
250
300
(Nguồn: Nguyễn Đức Lượng, 2003)
Nước thải nhà máy chế biến thủy sản chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng thích
hợp cho công nghệ xử lý sinh học (Hồ Mỹ Loan, 2007).
Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loãng tùy thuộc
vào sản phẩm của từng quy trình sản xuất (Lê Hoàng Việt, 2005).
Theo nghiên cứu của Bùi Thị Nga (2008), cho thấy nước thải tại KCN Trà Nóc
có hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt QCVN từ 2-53 lần, chất hữu cơ vượt từ 5-6 lần,
coliform vượt từ 2 – 48 lần (QCVN 08:2008/BTNMT); điều này đã làm gia tăng mức
độ ô nhiễm môi trường trên các sông, rạch và ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình
nuôi trồng thủy sản, sinh hoạt của cộng đồng dân cư tại chổ và lân cận.

Tuy nhiên, nồng độ và thành phần các chất hữu cơ có trong nước thải thay
đổi theo mùa thủy sản, theo mức nước sử dụng, có xu hướng giảm dần ở những lần
rửa sau cùng. Cho nên, cũng khó đề xuất ra một quy trình xử lý phù hợp.
Trên thực tế thành phần chất thải bị ô nhiễm đạm không chỉ chứa nitrate mà
có nhiều dạng khác nhau của nitơ. Thật vậy theo số liệu tháng 6 năm 2004 của
nhóm sinh viên lớp môi trường K26 trong quyển “ Khảo sát hiện trạng môi trường
xí nghiệp chế biến thuỷ hải sản An Giang (Agifish 7)” có giá trị các thông số ở đầu
vào và đầu ra của hệ thống xử lí nước thải của xí nghiệp như sau:

6

Bảng 2.4: Giá trị, nồng độ các chất ở đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý nước thải của xí
nghiệp chế biến thuỷ hải sản An Giang
Thông số
Đầu vào
(mg/L)
Đầu ra
(mg/L)
TCVN (Nước thải công
nghiệp loại A)
Nhiệt độ (
0
C)
28.5
30.3
40
DO (mg/l)
1.05
1.04
-

COD (mg/l)
2512
121.6
50
N-NO
3
-
(mg/l)
18.1
5.85
-
TN (mg/l)
49.8
32.8
30
PO
4
3-
(mg/l)
70.6
1.53
-
TP (mg/l)
137.6
28.6
4
Qua bảng 2.4 cho thấy nước thải của xí nghiệp có nồng độ N-NO
3
-
và TN rất

cao. Khi trong nước thải có hàm lượng N từ 30 – 60mg/l và hàm lượng P từ 4 –
8mg/l sẽ là môi trường quá giàu dinh dưỡng rất thích hợp cho rêu tảo và thực vật
thuỷ sinh phát triển (Lương Đức Phẩm, 2007).
Nước thải còn chứa nhiều mảnh vụn thịt và ruột, đầu, vỏ,… và các thành
phần hữu cơ cao khi thải trực tiếp vào thủy vực qua thời gian lâu dài sẽ làm cho
thủy vực mất khả năng tự làm sạch dẫn đến thủy vực bị ô nhiễm hữu cơ. Nếu thủy
vực chứa quá nhiều chất hữu cơ thì chất hữu cơ chủ yếu được phân hủy bởi vi sinh
vật yếm khí. Khi đó sản phẩm phân hủy chất hữu cơ là các khí thường độc và có
mùi hôi khó chịu như metan (CH
4
), ammoniac (NH
3
), sunfuahydro (H
2
S),… Trong
trường hợp này nồng độ oxy trong nước (DO) cũng bị giảm xuống dưới mức độ giới
hạn đối với cá, dẫn đến các sinh vật hiếu khí bị chết hay trốn khỏi nguồn nước đó
gây mất cân bằng sinh thái và chuỗi thức ăn (Trịnh Lê Hùng, 2009).
Trong nước thải thủy sản còn chứa rất nhiều chất dinh dưỡng đặc biệt là nitơ
và các chất khoáng khác. Các chất này khi vào nguồn nước sẽ gây nên hiện tượng
phú dưỡng hóa cho nguồn nước. Các chất dinh dưỡng sẽ được phù du thực vật, nhất
là tảo lam, hấp thụ tạo nên sinh khối trong quá trình quang hợp. Sự phát triển đột
ngột của tảo lam trong nguồn nước giàu chất dinh dưỡng làm cho nước có mùi và
độ màu tăng lên, chế độ oxy trong nguồn nước không ổn định. Sau quá trình phát
triển, phù du thực vật bị chết. Xác phù du thực vật sẽ làm tăng thêm một lượng chất
hữu cơ, tạo nên sự nhiễm bẩn lần hai trong nguồn nước (Trần Đức Hạ, 2002).

7

2.2 Sơ lược về các hợp chất nitơ trong nước

Trong nước các hợp chất nitơ thường tồn tại ở 3 dạng: hợp chất hữu cơ,
ammoniac và dạng oxi hoá (nitrite, nitrate), các dạng này là khâu chuỗi phân huỷ
hợp chất chứa nitơ hữu cơ như protein và hợp phần của protein (Lương Đức Phẩm,
2007).


Protein NH
3,
NH
4
+

NO
2
-
NO
3
-


NO
3
-
NO
2
-
NO N
2
O N
2

Các nguồn nitơ sử dụng cho vi sinh vật thực tế bao gồm toàn bộ các nguồn
nitơ hữu cơ và vô cơ. Nitơ được chuyển hoá để tạo ra các protein, các axit nucleic,
các polime của thành tế bào. Nitơ chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của một khối
vi sinh vật nguyên chất, trong nước thải giá trị này chiếm khoảng 10% (Nguyễn Văn
Tố, 1999).
Cũng theo Nguyễn Văn Tố (1999), khi phân tích hàm lượng nitơ trong nước:
- Nếu nước thải chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amomiac, hoặc
NH
4
OH là nước mới bị ô nhiễm.
- Nếu nước chứa hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite (NO
2
-
) là nước đã bị ô nhiễm
một thời gian dài.
- Nếu nước chỉ chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrate (NO
3
-
) chứng tỏ
quá trình phân huỷ đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi
ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bị khử thành N
2
O, NO và nitơ phân
tử tách khỏi nước bay vào không khí.
Ammoniac (NH
3
): ammoniac có mặt tự nhiên trong nước mặt và nước thải
sinh hoạt. Ammoniac ở trong nước tồn tại dạng NH
3
và NH

4
+
(NH
4
OH, NH
4
NO
3
,
(NH
4
)
2
SO
4
,…) tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một bazơ yếu. Tính độc của NH
3

cao hơn các ion amon (NH
4
+
). Với nồng độ 0.01 mg/l NH
3
đã gây độc cho cá qua
đường máu, nồng độ 0.2 – 0.5 mg/l đã gây độc cáp tính.
Nitrate (NO
3
-
): nitrate là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp
chất hữu cơ chứa N có trong chất thải của người và động vật, thực vật. Nitrate chỉ

bền ở điều kiện hiếu khí, trong điều kiện yếm khí chúng nhanh chóng bị khử thành
nitơ tự do tách ra khỏi nước. Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrate thường nhỏ hơn
5mg/l. Vùng bị ô nhiễm do chất thải hoặc phân bón hàm lượng nitrate trong nước
Vi khuẩn nitrate hoá
Vi khuẩn khử
Phân huỷ
Nitrosomonas
Nitrobacter
8

trên 10mg/l, làm cho rong tảo dễ phát triển, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước
sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản.
Bản thân nitrate không có độc tính, nhưng trong cơ thể nó bị chuyển hoá
thành nitrite rồi kết hợp với một số chất khác có thể tạo thành hợp chất nitrozo là
chất có khả năng gây ung thư (Lương Đức Phẩm, 2007).
Trong nước nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau như: NH
4
+
, NO
2
-
, NO
3
-
và các
dạng hữu cơ, trong đó NH
4
+
, NO
3

-
là dạng được sinh vật hấp thụ nhiều nhất, N-NH
3
là
muối dinh dưỡng quan trọng rất cần thiết cho đời sống của thủy sinh vật, là nguồn
nguyên liệu chủ yếu cung cấp cho thủy sinh vật sử dụng tạo nên chất sống vì thực vật
thủy sinh là nguồn thức ăn quan trọng cho tôm cá,… (Đặng Kim Chi, 1996).
2.3 Tác hại của nitơ trong nước thải
2.3.1 Tác hại của nitơ đối với sức khỏe cộng đồng
Trên bình diện sức khoẻ nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng
về môi trường. Sự có mặt của nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng
xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều
ammoniac có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷ sinh, làm giảm lượng ôxy hoà
tan trong nước. Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho
có thể gây phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là
lượng ôxy hoà tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi
thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrate tạo
chứng thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamin là
nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrate
lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrate chuyển
hóa thành nitrite nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrite còn nguy hiểm hơn nitrate đối
với sức khỏe con người. Khi tác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể
người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể
nitrite có thể ôxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy
trong máu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
2.3.2 Tác hại của nitơ đối với môi trường
Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh
dưỡng. Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như
rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn, giảm chất lượng

nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều chất độc trong
nước như NH
4
+
, H
2
S, CO
2
, CH
4
tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích trong nước.
Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước.
9

Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn
nước thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch đều có
màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H
2
S. Hiện tượng này tác động
tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ,
tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư.
2.3.3 Tác hại của nitơ đối với quá trình xử lý nước
Sự có mặt của nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu
quả làm việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hoá chất
trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.
Với đặc tính như vậy việc xử lý nitơ trong giai đoạn hiện nay đang là vấn đề
đáng được nghiên cứu và ứng dụng.Vấn đề này đã được các nhà nghiên cứu, các
học giả đi sâu tìm hiểu.
2.4 Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ
Trong các môi trường tự nhiên, nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ

phân tử ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động vật,
thực vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp
chất đạm hữu cơ như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu
cơ này tồn tại ở trong đất. Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein
được phân giải thành các axit amin. Các axit amin lại được một nhóm vi sinh vật
phân giải thành NH
3
hoặc NH
4
+
gọi là nhóm vi khuẩn amôn hóa. Quá trình này gọi
là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ
khoáng. Dạng NH
4
+
sẽ được chuyển hóa thành dạng NO
3
-
nhờ nhóm vi khuẩn
nitrate hóa. Các hợp chất nitrate lại được chuyển hóa thành dạng nitơ phân tử, quá
trình này gọi là sự phản nitrate hóa được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrate.
Khí nitơ sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó chuyển
thành dạng nitơ hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn cố định nitơ. Như vậy vòng tuần hoàn
nitơ được khép kín. Trong hầu hết các khâu chuyển hóa của vòng tuần hoàn đều có
sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm
nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng
nghiêm trọng (Trần Cẩm Vân, 2002).
2.4.1 Quá trình amôn hoá
Bản chất của quá trình amôn hóa là sự tạo thành NH
3

hoặc NH
4
+
từ các hợp
chất nitơ hữu cơ (protein, urê, axit nucleic…) dưới tác động của vi sinh vật.
Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, acid
amin, acid nucleic, urê… Các hợp chất này đi vào nước từ nguồn xác động vật, thực
vật, các loại phân chuồng, phân xanh, rác rưởi. Thực vật không thể đồng hóa được
10

dạng nitơ hữu cơ phức tạp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá trình amôn
hóa, các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hóa thành dạng NH
4
+
hoặc NH
3
.
2.4.2 Quá trình nitrate hoá
Theo Trần Cẩm Vân (2005), các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hoá thành dạng
NH
4
+
, NH
3
thông qua quá trình amôn hoá. Sau quá trình amôn hoá là quá trình nitrate
hoá chuyển hoá amôn thành nitrate bởi hoạt động của vi sinh vật. Nhóm vi sinh vật tiến
hành quá trình này gọi chung là nhóm vi khuẩn nitrate hoá bao gồm hai nhóm tiến hành
hai giai đoạn của quá trình. Giai đoạn oxy hoá NH
4
+

thành NO
2
-
gọi là giai đoạn nitrite
hoá, giai đoạn oxy hoá NO
2
-
thành NO
3
-
gọi là giai đoạn nitrate hoá.
 Giai đoạn nitrite hoá
Quá trình oxy hoá NH
4
+
tạo thành NO
2
-
được tiến hành bởi vi khuẩn Nitrite
hoá. Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxy hoá NH
4
+

bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng.
NH
4
+
+ 3/2 O
2
NO

2
-
+ H
2
O + năng lượng
Năng lượng này dùng để đồng hoá CO
2
thành cacbon hữu cơ. Enzyme xúc
tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí.
Nhóm vi khuẩn nitrite hoá bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrosomonas,
Nitrozocystis, Nitrozlobus và Nitrosopira chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc,
không có khả năng sống trên môi trường thạch. Do vậy phân lập chúng rất khó, phải
dung silicagen thay cho thạch (Trần Cẩm Vân, 2002).
 Giai đoạn nitrate hoá
Quá trình oxy hoá NO
2
-
thành NO
3
-
được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn nitrate.
Chúng cũng là những nhóm vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxy hoá NO
2
-

tạo thành năng lượng. Năng lượng này được dùng để đồng hoá CO
2
tạo thành đường.
NO
2

-
+ ½ O
2
NO
3
-
+ năng lượng
Nhóm vi khuẩn tham gia quá trình oxy hoá NO
2
-
thành NO
3
-
bao gồm:
Nitrobacter, Nitrosospira và Nitrococcus. Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hoá năng
này, trong đất còn có một số loài vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình
nitrate hoá. Đó là vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas,
Corynebacterium, Streptomyces,…(Trần Cẩm Vân, 2002).
Theo Trần Cẩm Vân (2002), quá trình nitrate hoá là một khâu quan trọng
trong vòng tuần hoàn nitơ, nhưng đối với nông nhiệp nó có nhiều điều bất lợi: Dạng
đạm nitrate thường dễ bị rửa trôi xuống các tầng sâu, dễ bị đi vào quá trình phản
nitrate hoá tạo thành khí nitơ làm mất đạm. Anion NO
3
-
thường kết hợp với ion H
+

11

trong đất tạo thành HNO

3
làm cho pH đất giảm xuống rất bất lợi đối với cây trồng.
Hơn nữa, lượng nitrate dư thừa trong đất được cây trồng hấp thu nhiều làm cho hàm
lượng nitrate trong sản phẩm lương thực, thực phẩm cao gây độc cho người.
2.4.3 Quá trình khử nitrate hoá
Sự phản nitrate hoá được hiểu là quá trình khử nitrate tạo ra sản phẩm cuối
cùng là nitơ phân tử.
Quá trình nitrate hoá mang nhu cầu oxy cho nguồn tiếp nhận nước. Do đó
nitrate cần phải được loại bỏ trước khi chúng được thải vào nguồn tiếp nhận, đặc
biệt đối với nguồn cấp nước uống (Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết, 2005).
Vi sinh vật thực hiện quá trình khử nitrate có tên chung là Denitrifier bao
gồm ít nhất 14 loài vi sinh vật. Ví dụ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,
Thiobacillus. Phần lớn loại vi sinh vật trên sử dụng oxy hoặc nitrate, nitrite làm chất
oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng (Lê Văn
Cát, 2007).
Quá trình phản nitrate hoá được xảy ra theo hai chiều hướng khác nhau:
 Phản nitrate hoá trực tiếp: được thực hiện bởi rất nhiều vi sinh vật khác
nhau, trong đó đáng chú ý nhất là những loài sau:
Chromobacterium denitrificans: loài này không tạo bào tử, chúng thuộc loài
yếm khí tuỳ tiện, chúng có khả năng khử nitrate thành N
2
tự do.
Achromobacter stutzeri: loài này thường tạo thành chuỗi dài. Chúng có khả
năng làm đông tụ sữa và có khả năng lên men một số đường tạo thành các chất khí.
Pseudomonas fluorescens: loài trực khuẩn này có khả năng chuyển động,
trong thiên nhiên chúng tạo thành chuỗi.
Bacterium pyocianeum: loài này có khả năng oxy hoá nitrate thành N
2
trong
môi trường chúng thường tạo sắc tố màu xanh.

Cơ chế chuyển hoá nitrate trong quá trình phản nitrate hoá là một cơ chế rất
phức tạp. Sự phức tạp của cơ chế này phụ thuộc rất nhiều ở từng giống vi sinh vật
và điều kiện xãy ra quá trình. Quá trình này có thể xãy ra ba trường hợp khác nhau:
Trường hợp thứ nhất: Nhiều loài vi khuẩn và cả nấm hoại sinh có thể khử
axit nitric thành axit nitrơrit theo phương trình sau:
HNO
3
+ 2H HNO
2
+ H
2
O

12

Trường hợp thứ hai: Nhiều loài vi khuẩn có khả năng khử nitrate thành NH
3

theo phương trình sau:
HNO
3
+ 8H NH
3
+ 3H
2
O
Trường hợp thứ ba: Nhiều loài vi sinh vật khác lại có khả năng khử nitrate
thành N
2
tự do qua một số sản phẩm trung gian như phương trình sau:

2HNO
3
2HNO
2
2HNO N
2

Tất cả quá trình khử nitrat đều có ý nghĩa giải phóng năng lượng cho vi sinh
vật phát triển. Các vi sinh vật tham gia phản ứng nitrate là những vi sinh vật hô hấp
tuỳ tiện. Trong điều kiện thoáng khí, chúng sử dụng CO
2
làm chất nhận H
2
. Trong
điều kiện yếm khí, chúng sử dụng nitrate làm nhiệm vụ này. Trong thiên nhiên luôn
xảy ra quá trình phản nitrate hoá. Quá trình này là một quá trình có hại cho thực vật
vì bản chất của quá trình là quá trình làm mất nitơ trong nước (Nguyễn Đức Lượng
và Nguyễn Thị Thuỳ Dương, 2003).
 Phản nitrate hoá gián tiếp
Vi sinh vật chỉ tham gia giai đoạn đầu là oxy hoá axit nitric thành axit nitrit.
Còn những giai đoạn sau là xảy ra hoàn toàn theo những phản ứng hoá học thuần
tuý ở môi trường axit để giải phóng N
2
.
Các phản ứng hoá học giữa axit nitrit với axit amin xảy ra theo phương trình:
R-CHNH
2
-COOH + HNO
2
R-COOH + N

2
+ H
2
O
R-CO-NH
2
+ O
2
N-OH R-COOH + N
2
+ H
2
O
Toàn bộ quá trình phản nitrate hoá là quá trình có lợi trong quá trình tự làm
sạch môi trường nước, trả nitơ về không khí và để chúng lại tiếp tục quá trình
chuyển hoá trong vòng tuần hoàn của chúng (Nguyễn Đức Lượng và ctv, 2003).
Sự giải phóng nitơ là sản phẩm ưu thế của quá trình khử nitrate. Tuy nhiên
nitơ hòa tan ít trong nước, do đó có khuynh hướng thoát ra như các bong bóng nổi
lên. Các bong bóng này có thể ngăn chặn sự lắng của bùn trong các bể lắng.
Ngoài ra oxit nitơ (N
2
O) có thể sinh ra trong quá trình khử nitrate trong nước
thải, dẫn đến sự loại bỏ không hoàn toàn nitrate. Khí N
2
O là chất gây ô nhiễm
không khí, cần ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự sinh ra chất này. Ở một số điều kiện,
có thể đến 8% nitrate chuyển thành N
2
O và điều kiện thích hợp hơn cho chúng là tỷ
số COD/N-NO

3
thấp, thời gian lưu bùn ngắn và pH thấp (Lê Văn Cát, 2007).
Trong thiên nhiên còn có một quá trình hết sức quan trọng khác, đó là quá
trình cố định nitơ phân tử. Quá trình này xảy ra rất mãnh liệt trong đất nhờ hai nhóm
vi sinh vật: vi sinh vật cố định nitơ tự do (Azotobacter, Clostridium) và vi sinh vật
13

cố định nitơ cộng sinh (Rhizobium). Tuy nhiên, vì nitơ tan rất kém trong nước nên
quá trình cố định nitơ không khí xảy ra trong môi trường nước hoàn toàn không
đáng kể (Nguyên Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).
Theo Lương Đức Phẩm (2007), quá trình chuyển hóa nitơ do vi sinh như sau:
NH
4
+
được tạo thành trong quá trình amôn hóa nhờ rất nhiều loài vi sinh vật, được
các loài vi khuẩn sử dụng làm nguồn N dinh dưỡng, đồng hóa để xây dựng tế bào
mới, tảo và các thực vật nởi khác cũng dùng nguồn nitơ này cùng với CO
2
và P để
tiến hành quang hợp. Ngoài ra, NH
4
+
nhờ vi khuẩn nitrat hóa chuyển thành NO
2
,
NO
3
hoặc bị vi khuẩn phản nitrat hóa chuyển thành nitơ phân tử bay vào không khí.















2.5 Các điều kiện để phản ứng loại nitrate xảy ra
Theo Lương Đức Phẩm (2007), muốn loại được nitrate thì phải tạo điều kiện
cho vi sinh vật khử nitrate hoạt động để khử nitrate thành nitơ phân tử bay vào
không khí. Do vậy, các phương pháp sinh học hay được dùng nhiều nhất để loại bỏ
ô nhiễm các hợp chất nitơ.
Điều kiện cần thiết để khử nitrate là:
- Trước hết phải có quá trình nitrate hóa xảy ra và lượng nitrate đã được tích tụ
khá lớn trong môi trường.
- Cần phải có mặt nguồn cacbon hữu cơ có khả năng đồng hóa.
Hình 2.1: Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học
Nitơ hữu cơ (protein,
peptit, axit amin…), urê
N – NH
4
+
Thủy phân và oxy
hóa do vi khuẩn
Nitrite (NO

2
)
Nitơ trong thành phần
tế bào vi khuẩn

Tế bào vi
khuẩn chết

Đồng
hóa

Oxy hóa nội sinh

Tự phân

Nitrosomonas

Nitrate (NO
3
)
Nitrobacter

Nitơ phân tử (N
2
)
NO
2
NO N
2
O

Cacbon hữu cơ
Anoxit (thiếu khí)
Khử nitrate
Nitrate
hóa
14

- Quan hệ với không khí là thiếu khí (thiếu oxy).
- Nguồn cacbon có thể là nước thải thô. Để đạt được hiệu quả loại bỏ nitrate,
người ta bổ sung những hợp chất hữu cơ dễ được vi sinh vật đồng hóa (ví dụ như rượu
metylic). Đối với nước thải công nghiệp thường thiếu cacbon hữu cơ dễ đồng hóa, việc
bổ sung nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài vào là rất cần thiết. Khử nitrate cũng có thể
do chuyển hóa nội sinh của sinh khối vi sinh vật được tạo ra. Trong bùn hoạt tính khi
có một số tế bào vi sinh vật bị chết và tự phân, các chất dinh dưỡng của tế bào được
hòa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrate và vi sinh vật nói chung.
2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrate
Theo Huỳnh Thị Ngọc Lưu và Nguyễn Thị Thu Vân (2007), những yếu tố
sau đây ảnh hưởng tới quá trình khử nitrat hoá trong quá trình xử lý nước thải cũng
như trong một số môi trường khác:
Nồng độ nitrate: Nitrate đóng vai trò là chất nhận electron của vi sinh vật
khử nitrate nên tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật này phụ thuộc vào nồng độ
nitrate theo mô hình động học của Monod.
Điều kiện thiếu khí (anoxic): Quá trình phản nitrate hóa xãy ra khi NO
3
-
được
vi sinh vật sử dụng làm chất nhận điện tử trong phản ứng oxy hóa chất hữu cơ thu
năng lượng. Nếu trong môi trường có oxy, vi sinh vật sẽ ưu tiên sử dụng oxy làm chất
nhận điện tử, khi đó quá trình phản nitrate hóa bị cản trở, ảnh hưởng đến hiệu suất
loại nitrate. Oxy cạnh tranh có hiệu quả với nitrate trong vai trò là chất nhận electron

cuối cùng trong quá trình hô hấp. Khi có mặt oxy, quá trình oxy hoá glucozo sẽ giải
phóng năng lượng nhiều hơn. Điều này giải thích tại sao quá trình khử nitrate có thể
xảy ra bên trong các hạt bùn hoạt tính hoặc ở lớp vi sinh vật bên trong của màng sinh
học (biofilm) mặc dù trong môi trường có nồng độ oxy hoà tan thấp.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ oxy hòa tan là 1÷2mg/L không ảnh
hưởng đến quá trình phản nitrate hóa trong hệ thống lọc sinh học nhưng trong hệ
thống bùn hoạt tính thì nồng độ oxy hòa tan nên nhỏ hơn 0.3mg/L.
Sự có mặt của chất hữu cơ trong môi trường: Vi sinh vật khử nitrate hoá
nhất định phải có chất cho electron để thực hiện quá trình khử. Một vài loại chất cho
electron đã được nghiên cứu và đưa ra. Những chất này có thể là axit axetic, axit
xitric, methanol hoặc chính nước thải sinh hoạt, chất thải của công nghiệp thực
phẩm như của quá trình lên men, quá trình tinh chế đường và thậm chí là cả bùn.
Nguồn electron tốt nhất mặc dù khá đắt là methanol. Nó được sử dụng như là nguồn
cacbon để điều khiển quá trình khử nitrate hoá. Khí sinh học thường chứa tới 60%
metan cũng có thể được sử dụng như là nguồn cacbon cho quá trình này vì vi khuẩn
15

metan sẽ oxy hoá metan thành methanol. Phản ứng của quá trình này (khử nitrate
hoá) có thể được mô tả:
6NO
3
-
+ 5CH
3
OH 3N
2
+ 5CO
2
+ 7H
2

O + 6OH
-

Theo phản ứng trên thì khử 1 mol NO
3
-
cần có 5/6 mol methanol. Tuy nhiên,
một lượng nhỏ methanol được sử dụng cho quá trình hô hấp và tổng hợp tế bào.
Quá trình khử nitrat đạt cực đại khi tỉ số CH
3
OH/NO
3
-
đạt xấp xỉ 2.5.
pH của môi trường: phản nitrate hóa không thể xãy ra khi pH thấp vì ở điều
kiện đó vi khuẩn phản nitrate hóa không hoạt động và pH tối ưu các vi khuẩn tham
gia vào quá trình phản nitrate hoá thường nằm trong khoảng pH từ 7 – 8. Tác động
của pH tới quá trình phản nitrate cũng phụ thuộc vào thời gian tác động và tác động
trong thời gian ngắn là đáng quan tâm hơn cả vì pH thường thay đổi trong thời gian
dài. Trong quá trình phản nitrate hoá, pH của môi trường có khuynh hướng tăng do
phản ứng khử NO
3
-
để tạo thành N
2
và sinh ra các anion OH
-
. Nếu không có biện
pháp ổn định pH trong suốt quá trình có thể sẽ gây ra hiện tượng ức chế các vi
khuẩn trong hệ bùn hoạt tính do nồng độ amoni tự do sẽ tăng mạnh ở pH kiềm.

Nhiệt độ môi trường: Nhiệt độ tác động tới sinh trưởng của các vi khuẩn
tham gia vào quá trình phản nitrate hoá và ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrate. Quá
trình khử nitrate hoá có thể xảy ra trong khoảng nhiệt độ rất rộng từ 0
o
C – 50
o
C
trong đó khoảng tối ưu là 30
o
C – 35
o
C. Tốc độ của phản ứng diễn ra chậm 1.5 – 2.0
và đặc biệt chậm ở trong khoảng nhiệt độ từ 5
o
C – 15
o
C.
Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng: Quá trình khử nitrate được kích
thích trong sự có mặt của Mo và Se, chúng hoạt động tạo thành format
dehydrogenaza (formate dehydrogenase), một trong những enzyme phức tạp nhất
trong sự trao đổi chất của metanol. Mo còn là nguyên tố chủ yếu trong việc tổng
hợp men khử (reductase) nitrate.
Các hoá chất độc hại: Vi khuẩn khử nitrate hoá ít nhạy cảm với hoá chất độc
hại hơn là vi khuẩn nitrate hoá.
2.7 Sơ lược về hệ vi sinh vật trong nước
Vi sinh vật có mặt ở khắp các nơi trong các nguồn nước. Sự phân bố của
chúng hoàn toàn không đồng nhất mà lại rất khác nhau tuỳ thuộc vào đặc trưng của
từng loại môi trường và khả năng thích ứng của vi sinh vật. Các yếu tố môi trường
quan trọng quyết định sự phân bố của vi sinh vật là hàm lượng muối, chất hữu cơ,
nhiệt độ và ánh sáng (Trần Cẩm Vân, 2002).

Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nước là từ đất, phân, nước tiểu, các nguồn
thải và từ bụi trong không khí rơi xuống. Số lượng và chủng loại vi sinh vật trong
16

nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hoà tan trong nước, các
chất độc, tia tử ngoại, pH môi trường, các chất dinh dưỡng của chúng. Nước càng
bẩn, càng nhiều chất hữu cơ, nếu thích nghi được và sinh trưởng thì sự phát triển
của vi sinh vật càng nhanh (Lương Đức Phẩm, 2007).
Trong nước có rất nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn,
virus nhưng chủ yếu là vi khuẩn. Số vi sinh vật không sinh bào tử chiếm ưu thế gần
87% trong nước, còn trong bùn chiếm ưu thế gần 75%. Vi khuẩn đóng vai trò quan
trọng trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ và làm sạch nước trong vòng tuần hoàn
vật chất. Ví dụ như vi khuẩn có khả năng oxi hóa chất vô cơ để thu năng lượng và sử
dụng CO
2
làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp protein của tế bào như vi
khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn phốt pho, vi khuẩn lưu huỳnh (Lương Đức Phẩm, 2007).
Theo Lương Đức Phẩm (2007), nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt và
nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm, rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số
lượng vi sinh vật trong nước là rất lớn (10
5
÷ 10
6
tế bào/ml). Trong số này chủ yếu
là vi khuẩn, chúng đóng vai trò phân huỷ các chất hưu cơ, cùng với các chất khoáng
khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải. Ngoài ra, còn
các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các bệnh đường ruột, như thương hàn, tả, lị,…
và các virut, thực khuẩn thể.
Theo Lê Hoàng Việt (2005), vi sinh vật trong nước thải có thể phân thành 3
nhóm: Vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật.

 Vi khuẩn trong nước thải có thể chia thành 4 nhóm:
- Nhóm hình cầu (cocci) có đường kính khoảng 1 – 3mm.
- Nhóm hình que (bacilli) có chiều rộng khoảng 0.3 – 1.5mm, chiều dài
khoảng 1 – 10mm (điển hình cho nhóm vi khuẩn này là E.coli có chiều rộng 0.5mm,
chiều dài 2mm).
- Nhóm hình que cong và xoắn ốc có chiều rộng khoảng 0.6 – 1mm và
chiều dài khoảng 2 – 6 mm, trong vi khuẩn hình xoắn có chiều dài lên đến 50 mm.
- Nhóm vi khuẩn hình sợi có chiều dài khoảng 100 mm hoặc dài hơn.
Các vi khuẩn có khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng
như trong các bể xử lý.
Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm hai nhóm chính:
- Vi khuẩn dị dưỡng (Heterophe): Nhóm vi khuẩn này sử dụng các chất hữu cơ
làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế
bào, phát triển,… Có 3 loại vi khuẩn dị dưỡng:
17

+ Vi khuẩn hiếu khí (Heterophe): cần oxy để sống như quá trình hô hấp ở
động vật bậc cao.
+ Vi khuẩn kỵ khí (anaerobe): chúng có thể sống và hoạt động ở điều kiện
kỵ khí, không cần oxy của không khí mà sử dụng oxy trong các hợp chất nitrate,
sulfar để oxy hoá chất hữu cơ.
+ Vi khuẩn tuỳ nghi (facultative): loại này có thể sống trong điều kiện có
hoặc không có oxy tự do. Chúng luôn có mặt trong nước thải. Năng lượng được giải
phóng một phần được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới, một
phần thoát ra ở dạng nhiệt.
- Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph): Loại vi khuẩn này có khả năng oxy hoá chất
vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO
2
làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng
hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh,…

 Nấm (Fungi bacteria) có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò
phân huỷ chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Nấm phát triển thường kết
thành lưới nổi trên mặt nước gây cản trở dòng chảy và quá trình thuỷ động học.
 Nguyên sinh động vật đặc trưng bằng các giai đoạn hoạt động trong quá trình
sống của nó. Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn, nên chúng là sinh vật
chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lý của các công trình xử lý sinh học nước thải.
Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp qua
các công đoạn xử lý nhiệt có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải
trong hệ thống thoát nước qua một thời gian ngắn cũng đủ cho vi sinh vật thích
nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, ức chế
hoặc diệt vi sinh vật, nước thải có hàm lượng kim loại nặng cao, chất hữu cơ và vô
cơ có độc tính,…). Sau một thời gian sinh trưởng chúng tạo thành quần thể vi sinh
vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thuỷ sinh.
Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước
thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh
vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật
liệu xây dựng tế bào mới cho chúng. Trong môi trường sống của chúng cần phải có
mặt chất hữu cơ để chúng phân huỷ, chuyển hoá thành vật liệu xây dựng tế bào,
đồng thời chúng cũng phân huỷ các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phầm cuối
cùng là CO
2
và nước hoặc tạo thành các loại khí khác (CH
4
, H
2
S, Indol, mercaptan,
scatol, N
2
, …)
Trong cơ thể sinh vật nitơ tồn tại tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm

hữu cơ như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơ tồn tại
trong môi trường. Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân