ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG
----o0o----

LÂM QUỐC HUY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI
TRỌNG NITƠ ĐẾN QUÁ TRÌNH ANAMMOX
TRONG XỬ LÝ NITƠ AMMONIA NỒNG ĐỘ
CAO TRONG NƯỚC THẢI TỔNG HỢP

TP.HCM, tháng 07 năm 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA MÔI TRƯỜNG
----o0o----

LÂM QUỐC HUY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI
TRỌNG NITƠ ĐẾN QUÁ TRÌNH ANAMMOX
TRONG XỬ LÝ NITƠ AMMONIA NỒNG ĐỘ

CAO TRONG NƯỚC THẢI TỔNG HỢP

TP.HCM, tháng 07 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG
Cán bộ chấm nhận xét 1: ................................................... ..............................
............................................................................................ ..............................
............................................................................................ ..............................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ................................................... ..............................
............................................................................................ ..............................
............................................................................................ ..............................
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……. tháng …….năm 2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TP. HCM, ngày


tháng

năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên Học viên:

LÂM QUỐC HUY

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26/01/1983
Chuyên ngành:

Nơi sinh: Bạc Liêu

Công nghệ Môi trường

MSHV: 09250504

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG NITƠ ĐẾN
QUÁ TRÌNH ANAMMOX TRONG XỬ LÝ NITƠ AMMONIA
NỒNG ĐỘ CAO TRONG NƯỚC THẢI TỔNG HỢP
1. Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ của quá trình Anammox trong bề PNBCR
trên đối tượng là nước thải nhân tạo.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: (Ngày bắt đầu thực hiện luận văn ghi trong Quyết
định giao đề tài): 01/2011
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2011
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL. CHUYÊN NGÀNH

TS. Đặng Viết Hùng
Nội dung và Đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua
ngày 15 tháng 07 năm 2010.
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên:

LÂM QUỐC HUY

Ngày tháng năm sinh:

26/01/1983

Nơi sinh: Bạc Liêu

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
-

Từ năm 2000 -2005: Học tại Khoa Môi trường - Trường Đại học Cần Thơ

-


Từ năm 2009-2011: Học cao học ngành Công nghệ Môi trường của Trường
Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu, tơi đã hồn thành Luận văn Thạc sỹ chun
ngành Cơng nghệ Mơi trường. Để hồn thành chương trình đào tạo và Luận văn
Thạc sỹ, tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô, bạn bè và các tổ chức:
- Xin tỏ lòng cảm ơn đến tập thể Thầy Cô Khoa Môi trường – Đại học Bách khoa –
Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, là những người đã nhiệt tình truyền đạt kiến
thức trong thời gian tôi theo học tại trường.
- TS. Đặng Viết Hùng, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, đã tận tình trực tiếp
hướng dẫn trong nghiên cứu khoa học và động viên lúc khó khăn.
- PGS.TS. Nguyễn Phước Dân, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, tận tình chỉ
dẫn khoa học và cho lời khuyên chân thành.
- Bạn cùng lớp cao học, Khoa Môi trường, Đại học Bách Khoa TPHCM.
- Ba, mẹ, anh em trong gia đình đã cổ vũ và ủng hộ tơi trong suốt thời gian qua.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2011

Lâm Quốc Huy

2


ABSTRACT
In Vietnam, nitrogen pollution has been a serious problem which is hard to
be solved by conventional nitrification and denitrification. This research is to
evaluate the effect of nitrogen removal in synthetic wastewater of anammox process
using polyester nonwoven as biomass carrier (PNBCR). In this study, high nitrogen

loading rate (NLR was obtained with increment of influent ammonium and nitrite
concentrations. The NLR of 2.0, 3.0, 4.0 and 5.0 kgN/m3 per day increased within
112 days. A total nitrogen removal rate of 4.6 kgN/m3 per day was obtained on the
end day of the experiment. Moreover, the anammox bacteria used in this study
showed an ability to be exposed to high nitrite concentration up to 500 mg/L, which
was a new detection in comparison to previous researches. The influent of the
reactor was prepared for anammox reactor as in those studies before. Here in the
reactor operated stably at high NLR of 5.0 kgN/m3/day in which the peak nitrogen
removal rate was 83%.

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Tại Việt Nam, ơ nhiễm nitơ là một vấn đề nghiêm trọng khó có thể được giải
quyết bởi q trình nitrat hóa và khử nitrat hóa truyền thống. Cơng trình nghiên cứu
này được thực hiện để đánh giá hiệu quả xử lý nitơ nồng độ cao và ở tải trọng cao
trong nước thải tổng hợp của quá trình anammox sử dụng bể kỵ khí với giá thể
polyester non-woven (PNBCR). Thí nghiệm được thực hiện với tải trọng nitơ tăng
dần (tải trọng nitơ tăng bằng cách tăng nồng độ đầu vào của ammonium và nitrite).
Tải trọng nitơ được tăng lần lượt là 2, 3, 4, 5 kgN/m3/ngày trong 112 ngày. Tổng
nitơ loại bỏ vào ngày cuối cùng là 4.6 kgN/m3 . Hơn nữa, trong nghiên cứu này
anammox đã xử lý nitrite với nồng độ lên đến 500 mgN/L, đây là một kết quả cao
so với các nghiên cứu trước đây. Kết quả cho thấy hiệu suất loại bỏ nitơ ở tải trọng
5.0 kgN/m3/ngày là 83%.


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Cơ chế chuyển hóa ammonium ở vi khuẩn Nitrosomonas europaea....................17
Hình 2.2 Cơ chế chuyển hóa của vi khuẩn khử nitrate ........................................................17
Hình 2.3: Chu trình chuyển hóa nitơ ...................................................................................19
Hình 2.4: Cơng nghệ xử lý nitơ sử dụng nguồn cácbon bên ngồi......................................20
Hình 2.5: Cơng nghệ xử lý nitơ sử dụng nguồn cácbon từ dịng tuần hồn ........................20

Hình 2.6 : Quá trình SHRARON – Anammox .....................................................................3
Hình 2.7: Sơ đồ biễu diễn quá trình CANON.....................................................................30
Hình 3.1: Thiết bị đo khí.......................................................................................................3
Hình 3.2: Giá thể PNBC .......................................................................................................3
Hình 3.4: Bùn hạt Anammox làm thí nghiệm......................................................................45
Hình 3.3: Mơ hình PNBCR....................................................................................................3
Hình 4.1: Nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào đầu ra của thí nghiệm..................................49
Hình 4.2: Tải trọng loại bỏ nitơ theo thời gian vận hành thí nghiệm ..................................51
Hình 4.3: Tải trọng tiêu thụ các hợp chất nitơ ở các tải trọng .............................................51
Hình 4.4: Tỷ lệ TN RR, N-NO2- CR và N-NO3- PR so với N-NH4+ CR .............................54
Hình 4.5: Nồng độ N-NO2- và N-NH4+ theo chiều cao........................................................55
Hình 4.6: Hình ảnh về bùn anammmox bám trên giá thể PNBC.........................................56

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Nồng độ tổng nitơ trong nước thải công nghiệp .................................................15
Bảng 2.2: So sánh các quá trình xử lý ammonium ..............................................................20
Bảng 2.3: Ảnh hưởng của nồng độ DO lên q trình nitrat hóa ..........................................25
Bảng 2.4 : So sánh các q trình xử lý nitơ có nồng độ cao trong nước thải bằng biện pháp
sinh học ................................................................................................................................31
Bảng 2.5: So sánh các quá trình khử nitơ trong nước thải (Luiza Gut, 2006; Mulder, 2003;
Schmidt, 2003).....................................................................................................................31
Bảng 2.6: Tóm tắt các nghiên cứu quá trình Anammox trên thế giới .................................35
Bảng 2.7: Một số nhà máy ứng dụng quá trình Anammox để xử lý nitơ ............................37
Bảng 3.1: Thông số thiết kế mơ hình PNBCR.....................................................................43
Bảng 3.2: Các thơng số kỹ thuật của vật liệu thí nghiệm ....................................................44
Bảng 3.3: Thành phần nước thải nhân tạo ...........................................................................46
Bảng 3.4: Điều kiện vận hành thí nghiệm nước thải nhân tạo.............................................47

Bảng 3.5: Các thông số và phương pháp phân tích .............................................................47
Bảng 4.1 Tỷ lệ TN RR, N-NO2- CR và N-NO3- PR so với N-NH4+ CR..............................54

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Anammox

Anaerobic Ammonium Oxidation (Oxy hóa kị khí ammoni)

AOB

Ammonium Oxidation Bacteria (Vi khuẩn oxy hóa ammoni thành)
nitrit

AMO

Enzyme oxy hóa ammonium thành hydtoxylamine

BOD5

Biological Oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh học cho 5 ngày)

CANON

Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrire

COD


Chemical oxygen demand (Nhu cầu oxy hóa học)

DELFT

Trường đại họ kỹ thuật Delft Hà Lan

DO

Oxy hòa tan

FAS

Sắt ammonium sunfat

F/M

Food/microorganism (Dinh dưỡng/thức ăn)

FISH

Fluorescent In Situ Hybridization

G0

Nhiệt động hóa học

HRT

Thời gian lưu nước


HAO

Enzyme tạo thành hydroxylamine của vi khuẩn nitrosomonas

HH

Enzyme Hydrazine Hydrolase (Enzym xúc tác phản ứng tạo
hydrazine)

HZO

Enzyme xúc tác tạo khí nitơ của vi khuẩn Anammox

N

Nitơ
+

Ammonium Nitrogen (ammoni tính theo nitơ)

N-NO2

-

Nitrite Nitrogen (nitrit tính theo nitơ)

NOB

Nitrite oxidation Bacteria (Vi khuẩn oxy hóa ammoni thành nitrat)


NR

Enzym khử nitrit thành sản phẩm giả thiết là hydroxylamine

N-NO3-

Nitrate Nitrogen (nitrat tính theo nitơ)

OLAND

Oxygen-limited autotrophic nitrification- Denitrification (Hệ
thống nitrat hóa và khử nitrat với lượng oxy giới hạn)

N-OR

Organic nitrogen (Nitơ hữu cơ)

PNBC

Giá thể Polyester Non-woven Biomass Carrier

PNBCR

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

N-NH4

6



RBC

Rotating Biological Contactor (Đĩa quay sinh học)

SBR

Sequence Batch Reactor (Bể phản ứng dạng mẽ)

SNAP

Single Stage Nitrogen Removal using Anammox and Partial
Nitritation (Q trình loại nitơ kết hợp nitrat hóa bán phầnanmmox trong một bể)

SNBR

Quá trình loại bỏ nitơ theo đường tắt

SHARON

(Single reactor system for High activity ammonia Removal Over
Nitrite ) Nitrat hóa cục bộ ammoniac thành nitrit

SRT

Sludge Retention Time (thời gian lưu bùn)

SS

Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng)


TN

Total Nitrogen (tổng nitơ)

TKN

Total Kjeldahl Nitrogen (Tổng nitơ Kjeldahl)

UASB

Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (Bể dịng chảy ngược qua tầng
bùn kị khí)

7


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................2
TĨM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH.........................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................6
MỤC LỤC..................................................................................................................8
CHƯƠNG 1..............................................................................................................11
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
1.1. TÍNH CẤP THIẾT.........................................................................................11
1.2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN .....................................................................12
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .......................................................................12
1.4. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN.....................................................................12

1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................................12
1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN....................................................13
1.6.1. Tính mới..................................................................................................13
1.6.2. Tính khoa học..........................................................................................13
1.6.3. Tính thực tiễn ..........................................................................................13
CHƯƠNG 2..............................................................................................................15
CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC ỨNG DỤNG XỬ LÝ NITƠ AMMONIA
TRONG NƯỚC THẢI............................................................................................15
2.1. TỔNG QUANG VỀ SỰ Ô NHIỄM AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI ...15
2.2. Q TRÌNH NITRAT HĨA VÀ KHỬ NITRAT HĨA ..............................16
2.2.1. Q trình nitrat hóa .................................................................................16
2.2.2. Q trình khử nitrat hóa ..........................................................................17
2.2.3. Hệ thống kết hợp q trình nitrat hóa – khử nitrat hóa...........................18
2.3. Q TRÌNH ANAMMOX ...........................................................................21
2.3.1. Giới thiệu.................................................................................................21
2.3.2. Sự phát hiện phản ứng Anammox...........................................................22
2.3.3. Đặc điểm sinh trưởng của vi khuẩn Anmmox ........................................23
8


2.3.4. Ưu nhược điểm trong ứng dụng quá trình Anammox.............................27
2.4. ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH ANAMMOX TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI .28
2.4.1. Quá trình SHARON – Anammox ...........................................................28
2.4.2. Quá trình CANON ..................................................................................29
2.4.3. Quá trình OLAND ..................................................................................30
2.4.4. Quá trình SNAP ......................................................................................30
2.5. SO SÁNH CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NITƠ TRONG NƯỚC THẢI BẰNG
BIỆN PHÁP SINH HỌC ......................................................................................31
2.6. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ANAMMOX TRONG CÁC HỆ THỐNG
KHÁC NHAU TRÊN THẾ GIỚI .........................................................................32

2.7. CÁC KỸ THUẬT MỚI NHẰM CỐ ĐỊNH SINH KHỐI ANAMMOX
TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở NHẬT BẢN..................................................................37
CHƯƠNG 3..............................................................................................................43
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...............................................43
3.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .......................................................................43
3.2. MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM..............................................................................43
3.2.1. Mơ hình PNBCR .....................................................................................43
3.2.2. Giá thể .....................................................................................................43
3.2.3. Bùn anammox .........................................................................................45
3.3. Q TRÌNH VẬN HÀNH THÍ NGHIỆM...................................................46
3.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .....................................................................47
3.5. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ................................47
3.5.1. Xác định tải trọng....................................................................................47
3.5.2. Xác định khí nitơ sinh ra theo lý thuyết..................................................48
3.5.3. Xử lý số liệu ............................................................................................48
CHƯƠNG 4..............................................................................................................49
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................49
4.1. Nồng độ các hợp chất nitơ đầu vào, đầu ra và hiệu quả loại bỏ ...............49
4.2. Tải trọng loại bỏ tổng nitơ (TNRR) ...........................................................50
4.3. Tỷ lệ tải trọng loại bỏ nitơ, tiêu thụ N-NO2- và sinh ra N-NO3- so với tải
trọng tiêu thụ N-NH4+ .......................................................................................52
4.4. Hiệu suất xử lý của mơ hình thí nghiệm PNBCR theo chiều cao..................55
9


4.5. Sinh khối Anammox ......................................................................................55
CHƯƠNG 5..............................................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................57
5.1. KẾT LUẬN....................................................................................................57
5.2. KIẾN NGHỊ ...................................................................................................58

DANH MỤC BÀI BÁO CÔNG BỐ.......................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60
PHỤ LỤC A .............................................................................................................63
CHI TIẾT KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU.........................................63
PHỤ LỤC B .............................................................................................................66
MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU ..........................66

10


CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1. TÍNH CẤP THIẾT
- Tử trước đến nay các chỉ tiêu được quan tâm trong các hệ thống xử lý nước thải ở
Việt nam chủ yếu là COD, BOD5, SS, Coliforms. Nhưng thời gian gấn đây 02 chỉ
tiêu nữa được quan tâm khá nhiều là hàm lượng N, P trong nước thải.
- Hiện nay, hầu hết nước thải sau hệ thống xử lý chất lượng thải đầu ra không ổn
định đặc biệt là hàm lượng nitơ trong nước thải, bên cạnh đó chi phí vận hành cho
các cơng nghệ xử lý nitơ trong nước thải hiện tại còn khá cao. Chính vì thế việc
nghiên cứu cơng nghệ xử lý mới có tính hiệu quả cao, chi phí thấp để xử lý nitơ
trong nước thải là một yêu cầu cấp thiết.
- Vì vậy việc kiếm được một cơng nghệ thích hợp để xử lý nitơ trong nước thải
trong hồn cảnh hiện nay cũng như tương lai là đáng được quan tâm.
- Năm 1995 đã phát hiện được một phản ứng chuyển hóa nitơ mới chưa từng biết
đến trước đó cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, 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 nitrit trong điều kiện kỵ khí, khơng cần cung
cấp chất hữu cơ để tạo thành nitơ phân tử. Sự phát triển quá trình Anammox đã mở
ra hướng phát triển kỹ thuật xử lý nitơ mới, đặc biệt là đối với nước thải có hàm
lượng nitơ cao. Trong vịng hai thập niên vừa qua đã bùng nổ các nghiên cứu về q

trình Anammox và ứng dụng của nó.
- Nghiên cứu ứng dụng quá trình Anammox trong xử lý nước thải giàu Ammonium
thực sự mới chỉ được tiến hành một cách mạnh mẽ từ năm 2004 đến nay. Còn trong
khoảng từ 1994 đến 2004, phần lớn tập trung vào nghiên cứu cơ bản nhằm định
hướng cho triển khai ứng dụng (Jetten và cộng sự, 2004). Quá trình Anammox đã
được ứng dụng thành công đối với cả nước thải sinh hoạt lẫn nước thải công nghiệp
thuộc da ở Hà Lan. Tuy nhiên ở Việt Nam việc ứng dụng quá trình Anammox để xử
lý nitơ với nồng độ cao trong nước thải rất ít gần như chưa có. Chính vì thế luận văn
này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến quá trình phát triển của
11


Anammox để góp phần làm tiền đề cho việc triển khai ứng dụng các quá trình
Anammox trong xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao tại Việt Nam.
1.2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Từ những vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng Nitơ đến
quá trình Anammox trong xử lý Nitơ Ammonia ở nồng độ cao trong nước thải
tổng hợp” được thực hiện nhằm đạt mục tiêu chính sau:
Đánh giá hiệu quả loại bỏ nitơ theo các tải trọng khác nhau sử dụng dụng mơ
hình PNBCR cho nước thải nhân tạo.
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu là nước thải nhân tạo có chứa hàm lượng Nitơ Ammonia ở
nồng độ cao.
1.4. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
- Nghiên cứu khả năng xử lý nitơ của quá trình Anammox trong bề PNBCR trên đối
tượng là nước thải nhân tạo trong 112 ngày.
- Khảo sát hiệu quả loại bỏ N-NO2-, N-NH4+ và TNRR lần lượt ở các tải trọng 2, 3,
4, 5 kg N/m3/ngày với nồng độ tổng nitơ lần lượt là 400, 600, 800 và 1000 mg N/L .
- Khảo sát lượng N-NO3- sinh ra trong quá trình vận hành so với lý thuyết.
- Khảo sát hiệu quả xử lý nitơ của mơ hình PNBCR theo chiều cao.

- So sánh nồng độ hàm lượng sinh khối ban đầu với hàm lượng sinh khối vào ngày
kết thúc thí nghiệm.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, đã thực hiện các phương pháp
nghiên cứu sau đây:
- Tổng quan tài liệu đã nghiên cứu, ứng dụng thực tế trong và ngoài nước về công
nghệ xử lý nitơ trong các loại nước thải, thiết bị xử lý và các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình xử lý Ammonium bởi nhóm vi khuẩn Anammox.

12


- Tiếp tục thực hiện giai đoạn 2 của mô hình thạc sĩ Phan Thế Nhật là thực nghiệm
tích lũy sinh khối Anammox lên giá thể Polyester non-woven Biomass Carrier bằng
nước thải nhân tạo chứa hàm lượng Nitơ Ammonia ở nồng độ độ cao (vi khuẩn
anammox được lấy từ phòng thí nghiệm của GS.TS. Kenji Furukawa thuộc trường
đại học Kumamoto, Nhật Bản).
- Phương pháp phân tích hóa học, sinh học các thơng số mơi trường nước thải trong
phịng thí nghiệm.
- Tính tốn và xử lý số liệu phân tích bằng các cơng thức tốn học và phần mềm
Excel.
1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
1.6.1. Tính mới
Nghiên cứu ứng dụng q trình Anammox sử dụng mơ hình PNBCR để xử lý nitơ
trong nước thải nhân tạo chứa hàm lượng Nitơ Ammonia nồng độ cao ở Việt Nam
là cơng trình đầu tiên được thực hiện ở nước ta.
1.6.2. Tính khoa học
Về khoa học, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá khả năng thích nghi,
sinh trưởng và phát triển của nhóm vi khuẩn Anammox trong nước thải nhân tạo
chứa hàm lượng Nitơ Ammonia ở nồng độ cao ở điều kiện Việt Nam, tạo cơ sở cho

các nghiên cứu sâu hơn các yếu tố, thành phần hóa sinh trong nước thải ảnh hưởng
đến hiệu quả xử lý nitơ tạo tiền đề cho việc ứng dụng công nghệ Anammox để loại
bỏ nitơ trong nước thải cơng nghiệp có chứa hàm lượng Nitơ Ammonia ở nồng độ
cao trong thực tế.
1.6.3. Tính thực tiễn
Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai ứng dụng quá trình anammox trong xử
lý nước thải cơng nghiệp có nồng độ Ammonia cao với chi phí đầu tư cơ bản và vận
hành cạnh tranh hơn so với q trình khử nitơ thơng thường (nitrat hóa-khử nitrat).

13


Hơn nữa, kết quả đề tài cũng làm tiền đề cho các nghiên cứu mở rộng ra đối với các
loại nước thải có nồng độ ammonium cao từ một số lĩnh vực chăn ni, cơng nghiệp
như: Nước thải từ lị mổ, nước thải từ chế biến nước tương, nước rỉ rác, các xí
nghiệp chế biến thủy sản, chăn ni heo, nhà máy chế biến tinh bột sắn, thực phẩm
và một số ngành nghề khác…

14


CHƯƠNG 2
CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC ỨNG DỤNG XỬ LÝ NITƠ AMMONIA
TRONG NƯỚC THẢI
2.1. TỔNG QUANG VỀ SỰ Ô NHIỄM AMMONIA TRONG NƯỚC THẢI
Nguyên tố nitơ là thành phần luôn có mặt trong cơ thể động thực vật và thành
phần của các hợp chất tham gia nhiều trong các quá trình chuyển hóa trong tự
nhiên. Nó cũng tồn tại dưới dạng các hợp chất vô cơ, hữu cơ. Hợp chất nitơ trong
nước thải tồn tại chủ yếu ở dạng N-NH4+/N-NH3, (tỉ lệ N-NH4+/N-NH3 tồn tại phụ
thuộc vào pH của dung dịch do q trình thủy phân các hợp chất có chứa nitơ bằng

sinh học).
Nguồn phát sinh chất thải có chứa hợp chất nitơ cao vào môi trường nước rất
đa dạng phong phú như:
¾ Nước thải sinh hoạt có hàm lượng tổng nitơ khoảng 20-85 mg/l, trong đó
ammonium chiếm khoảng 12-50 mg/l (chiếm tỉ lệ khoảng 60-80% tổng nitơ). Nồng
độ tổng nitơ trong nước thải sinh hoạt tương đối thấp so với các nguồn thải khác
nhưng lưu lượng thải lại rất lớn. Cho nên tổng khối lượng nitơ thải ra hằng ngày có
thể sẽ lớn hơn các ngành nghề khác.
¾ Nước thải công nghiệp ô nhiễm nitơ xuất phát từ sản xuất công nghiệp liên
quan chủ yếu tới chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành
nghề đặc biệt khác như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc da….(bảng 2.1)
Bảng 2.1: Nồng độ tổng nitơ trong nước thải công nghiệp
Số TT

Nguồn phát sinh

Hàm lượng tổng nitơ (mg/lít)

1

Giết mổ

115

2

Chế biến thịt

76


3

Chế biến thủy hải sản

30 – 226

4

Hóa chất, phân bón

1820

5

Chế biến cao su

138 – 320

6

Chế biến nước tương

250 – 570

7

Ngành thuộc da

760 – 1257


¾ Nước thải phát sinh trong trồng trọt và chăn nuôi: Nước thải phát sinh do
chăn nuôi gia cầm, gia súc… chủ yếu do tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước
15


thải ra ngoài hàm lượng COD, BOD, tổng photpho, SS… rất cao, hàm lượng
tổng nitơ dao động trong khoảng 1.500 – 15.200 mg/l. Ngồi ra, trong canh tác
nơng nghiệp, ơ nhiễm nitơ xuất phát chủ yếu từ lượng phân đạm mà cây không
hấp thu được bị rửa trôi, thấm vào đất hoặc bị phân hủy ngồi mơi trường…
Một số q trình hóa lý được sử dụng để loại hàm lượng Nitơ trong nước thải
như tách khí, trao đổi ion, lọc màng,… Tuy nhiên, tất cả các q trình này đều
khơng thể xử lý nước thải có chứa hàm lượng nitơ ở nồng độ cao. Do đó, phương
pháp sinh học để xử lý nitơ vẫn chiếm ưu thế do chi phí thấp và thân thiện với mơi
trường cụ thể q trình được ứng dụng để xử lý nước thải có nồng độ nitơ cao hiện
nay là q trình nitrat hóa và khử nitrat hóa.
2.2. Q TRÌNH NITRAT HĨA VÀ KHỬ NITRAT HĨA
2.2.1. Q trình nitrat hóa
Q trình Nitrate hóa được thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn Nitrosomonas (N.
europasa, N. oligocar bogenes, Nitrosopira, Nitrosococcus, và Nitrosolobus oxy
hóa ammonium thành nitrit thơng qua hydroxylamin NH2OH với xúc tác của enzym
AMO theo phương trình phản ứng (2-1) và oxy hóa tiếp theo tạo thành nitrit bởi
enzym HAO phản ứng (2-2).
Đầu tiên Ammonium được thủy phân thành Hydroxylamine bằng enzyme
AMO (Ammonium Mono-Oxygenase).
- Sau đó Hydroxylamine được oxy hóa thành Nitrite nhờ enzyme HAO
(Hydroxylamine Oxidoreductase).
Quá trình này sinh ra năng lượng và được vi khuẩn sử dụng để đồng hoá CO2
cho hoạt động sống của chúng.
O2


=

2NH2OH + 2H+

(2.1)

NH4+ + 1,5 O2

=

NO2- + H2O + 2H+ + 275 KJ

(2.2)

2NH4+ +
Hoặc
2NH3 + 3O2

Nitrosomonas

2HNO2 + 2H2O

16


Hình 2.1 Cơ chế chuyển hóa ammonium ở vi khuẩn Nitrosomonas europaea
- AMO : là enzym chuyển hóa ammonium thành hydroxylamin
- HAO: là enzym chuyển hóa hydroxylamin thành nitrit
2.2.2. Quá trình khử nitrat hóa
Q trình khử Nitrate thường trải qua một số sản phẩm trung gian:

NO3-

NO2-

NO2- + 0,5O2

NO
Nitrobacter

N2O
NO3-

N2
(2)

Hình 2.2 Cơ chế chuyển hóa của vi khuẩn khử nitrate

17


2.2.3. Hệ thống kết hợp q trình nitrat hóa – khử nitrat hóa
Q trình loại Nitơ thơng thường được thực hiện bởi hai chủng vi khuẩn là
Nitrosomonas và Nitrobacter để sản xuất năng lượng. Năng lượng thu được từ hai
phản ứng trên hoặc từ phản ứng tổng hợp rất thấp: 57kcal/mol cho phản ứng hình
thành Nitrite và 19kcal/mol cho phản ứng hình thành Nitrate, thấp hơn nhiều so với
phản ứng oxy hóa do vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng thực hiện: năng lượng thu được từ
phản ứng oxy hóa axit Axetic là 207kcal/mol. Đó là lý do dẫn tới hiệu suất sinh
khối của sinh vật tự dưỡng thấp hoặc tốc độ phát triển của chúng chậm.
Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng nguồn
Carbon vô cơ (chủ yếu là HCO3-, CO2) cùng các chất dinh dưỡng (N, P, vi lượng...)

để xây dựng tế bào. Thành phần Nitơ được ưa chuộng nhất để xây dựng tế bào là
Ammonium. Thành phần oxy trong tế bào (C5H7O2N) được lấy từ HCO3- hoặc
CO2.
Oxy hóa Ammonium gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của
cả quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn. Từ các kết quả nghiên
cứu cho thấy tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với Nitrobacter vì
vậy nồng độ Nitrite thường thấp hơn trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ rằng giai
đoạn oxy hóa Ammonium thành Nitrite là bước quyết định tốc độ phản ứng oxy hóa
đối với một hệ xử lý hoạt động bình thường. Mặc dù đã được phát triển từ lâu và
hiện vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, nhưng hệ nitrat hóa – khử nitrat (N/DN) vẫn
bộc lộ nhiều hạn chế, nhất là đối với việc xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao và
carbon thấp như nước rỉ rác, nước lắng bể phân hủy bùn, nước sau bể biogas, . . . vì
cả hai giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat xảy ra trong hai điều kiện ngược nhau: hiếu
khí – thiếu khí, tự dưỡng – dị dưỡng. Do vậy, hai giai đoạn phải tiến hành trong các
bể phản ứng riêng biệt, sự vận hành và kiểm sốt q trình hoạt động của hệ xử lý
nitơ truyền thống trở nên phức tạp. Trong khi ở giai đoạn nitrate hóa cần duy trì DO
tối thiểu là 2 mg/lít thì ở giai đoạn khử nitrat phải khống chế DO tới mức dưới 0,5
mg/lít [11].
Điều kiện DO > 0,6 mg/l, hoạt động oxy hố Ammonium của vi khuẩn
Nitrosomonas đã diễn ra bình thường [10].
Ngồi ra, q trình Nitrite hố cịn có sự tham gia của các vi khuẩn oxy hoá
Ammonium khác như: Nitrosopira, Nitrosococcus, Nitrosolobus.
18


Để q trình Nitrite hố diễn ra hiệu quả cần tạo được mơi trường sống thích
hợp cho vi sinh vật oxy hoá Ammonium thành Nitrite như: pH, nhiệt độ, nồng độ
oxy hoà tan, nồng độ Ammonium, tỉ số COD/TNK, các hợp chất ức chế khác (kim
loại nặng, Phenol, dầu mỡ...).
Một phần Amoni bị đồng hóa thành sinh khối tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh

khối như sau:
4CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O Ỉ

C5H7O2N + 5O2

(2)

Hình 2.3 chỉ ra ngun lý các q trình chuyển hóa nitơ, bao gồm qui trình Nitrat
hóa và khử nitrat truyền thống và các q trình mới (Furukawa và cộng sự, 2000).
NO

NO2-

NO3-

N2O
Pha khí

Pha lỏng
NH2OH

N2

N 2H 4
Org-N

Nitrat hóa
Khử nitrat

NH4+


Cố định đạm đồng hóa
Nitrat hóa bán phần
Anammox

Hình 2.3: Chu trình chuyển hóa nitơ
Hình 2.4 biểu diễn sơ đồ công nghệ xử lý nitơ bằng cách kết hợp cơng nghệ hiếu
khí trước, tồn bộ N-NH4+ được nitrat hóa dưới hoạt động của các vi khuẩn AOB và
NOB. Sau khi qua q trình nitrat hóa, nước thải tiếp tục qua bể thiếu để khử nitrat.
Tại đây thông thường cần bổ sung thêm dinh dưỡng (methanol, etanol, acetate,
glucose..) nhằm nâng cao hiệu quả khử nitrat. Công nghệ này ưu điểm ở chổ là
khơng cần tuần hồn dịng nước từ bể kị khí về hiếu khí, nhưng nhược điểm của nó
là phải tốn chi phí bổ sung dinh dưỡng ở bể thiếu khí để q trình khử nitrat xảy ra
hồn tồn.
Hình 2.5 biểu diễn sơ đồ công nghệ xử lý nitơ bằng cách kết hợp cơng nghệ thiếu
khí khử nitrat được đặt ở phía trước và hiếu khí nitrat hóa đặt ở phía sau. Ưu điểm
của cơng nghệ này là khơng cần bổ sung dinh dưỡng (tận dụng thành phần dinh
19


dưỡng trong nước thải), nhưng nhược điểm của nó là phải tốn năng lượng để tuần
hồn dịng nitrat từ bể hiếu khí về bể thiếu khí.
MeOH
Đầu vào
(Q)

Khử Nitrat hóa
(thiếu khí)
(Vi khuẩn khác nhau)


Nitrat hóa
(hiếu khí)
(AOB, NOB)

Đầu ra

Bể lắng

Tuần hồn bùn

Bùn thải

Hình 2.4: Cơng nghệ xử lý nitơ sử dụng nguồn cácbon bên ngồi
Tuần hồn (2-3Q)

Đầu vào
(Q)

Khử Nitrat hóa
(thiếu khí)
(Vi khuẩn khác nhau)

Nitrat hóa
(hiếu khí)
(AOB, NOB)

Bể lắng

Tuần hồn bùn


Đầu ra

Bùn thải

Hình 2.5: Công nghệ xử lý nitơ sử dụng nguồn cácbon từ dịng tuần hồn
Bảng 2.2: So sánh các q trình xử lý ammonium
DO

Hữu cơ

Khí sinh ra

Sinh khối

(gO2/gN)

(gCOD/gN)

(gCO2/gN)

(gSS/gN)

Nitrat hóa – khử nitrat

4,57

2,86

5,76


1,0 – 1,2

Nitrit hóa – khử nitrit

3,43

1,71

4,72

0,8 – 0,9

Nitrat hóa – Anammox

1,71

0,00

3,14

< 0,1

Quá trình

20


2.3. QUÁ TRÌNH ANAMMOX
2.3.1. Giới thiệu
Đối với nhiều loại nước thải có hàm lượng các chất dinh dưỡng (nitơ và photpho)

trung bình và cao thì việc xử lý để loại bỏ chúng trước khi xả vào môi trường đang
là nhu cầu bức thiết hiện nay. Nguy cơ tác động lớn nhất khi xả nước thải giàu nitơ,
photpho vào các thủy vực là sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng. Hậu quả của phú
dưỡng là kích thích sự phát triển mạnh các loài tảo, làm phá vỡ chuỗi thức ăn ổn
định của các hệ sinh thái thủy vực, gây ô nhiễm nước và làm bồi cạn các thủy vực.
Các hệ thống xử lý nước thải bậc 2 thông thường được thiết kế để loại các chất hữu
cơ (đánh giá qua các thông số BOD5, COD), thường chỉ loại được một phần nitơ.
Do vậy, việc loại nitơ phải được tiến hành ở các giai đoạn tiếp theo sau, đó là xử lý
bậc cao. Công nghệ sinh học truyền thống để xử lý nitơ lâu nay là dựa vào sự kết
hợp của 2 q trình: Nitrat hóa và khử nitrat. Do cơng nghệ xử lý truyền thống này
có những hạn chế nhất định nên việc cải tiến công nghệ xử lý nitơ đã được quan tâm
vào thập niên cuối của thế kỷ 20.
Năm 1995, phản ứng chuyển hóa nitơ mới đã được phát hiện (Van de Graaf và cộng
sự, 1995) đó là phản ứng oxy hóa Ammonium trong điều kiện kỵ khí, trong đó
Ammonium được oxy hóa bởi nitrit thành khí N2, khơng cần cung cấp cacbon hữu
cơ. Sự phát hiện này đã mở ra các hướng phát triển kỹ thuật mới để xử lý nitơ trong
nước thải, đặc biệt là các loại nước thải có hàm lượng nitơ cao. Trong vịng 2 thập
niên qua, đã bùng nổ các nghiên cứu liên quan đến Anammox và ứng dụng của nó.
Trên bình diện lý thuyết, chu trình nitơ trong tự nhiên đã được bổ sung thêm một
mắt xích mới, cịn trên bình diện cơng nghệ, đã có các nhà máy xử lý nitơ bằng quá
trình Anammox được xây dựng và vận hành ở Hà Lan, Đức, Áo (Gut, 2006),
(Szatkowska, 2007)

21