Nghiên cứu làm giảm đạm amôn trong hệ thống thí nghiệm có sử dụng vật liệu tự chế

  • 42 trang
  • file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
NGUYỄN HOÀNG MINH HỮU
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Chuyên ngành Khoa học Môi trường
NGHIÊN CỨU LÀM GIẢM ĐẠM AMÔN TRONG HỆ THỐNG
THÍ NGHIỆM CÓ SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỰ CHẾ
Cán bộ hướng dẫn
LÊ ANH KHA
Cần Thơ, 2014
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
NGUYỄN HOÀNG MINH HỮU
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Chuyên ngành Khoa học Môi trường
NGHIÊN CỨU LÀM GIẢM ĐẠM AMÔN TRONG HỆ THỐNG THÍ
NGHIỆM CÓ SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỰ CHẾ
Cán bộ hướng dẫn
LÊ ANH KHA
Cần Thơ, 2014
i
PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG
Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Nghiên cứu làm giảm đạm amôn trong hệ
thống thí nghiệm có sử dụng vật liệu tự chế”, do sinh viên Nguyễn Hoàng Minh Hữu
thực hiện và báo cáo đã được hội đồng chấm luận văn thông qua.
Cán bộ phản biện Cán bộ phản biện
PGs.TS.Bùi Thị Nga Ths. Nguyễn Thị Như Ngọc
Cán bộ hướng dẫn
Ths. Lê Anh Kha
ii
LỜI CẢM TẠ
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Khoa học Môi trường đã tạo điều
kiện thuận lợi và truyền đạt những kiến thức quý báu giúp em hoàn thành tốt luận văn
này.
Em xin cảm ơn Cô Bùi Thị Nga cho em những góp ý quan trọng trong đề cương và
luận văn để bài làm tốt hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài.
Em xin cảm ơn Thầy Lê Anh Kha đã luôn quan tâm, chỉ dạy, hướng dẫn tận tình
trong suốt quá trình thực hiện đề tài để em có thể thực hiện tốt đề tài này.
Cảm ơn Cô cố vấn Nguyễn Thị Như Ngọc đã luôn quan tâm, chia sẻ, động viên
đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiên thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn Quách Yến Phương đã giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn các bạn trong lớp Khoa học Môi trường khóa 37 đã luôn giúp đỡ,
đóng góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Con xin cảm ơn ba mẹ đã luôn động viên, quan tâm và chia sẻ với con trong suốt
quá trình thực hiện đề tài.
Cần Thơ, ngày 10 tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hoàng Minh Hữu
iii
TÓM LƯỢC
Đề tài nghiên cứu làm giảm đạm amôn trong hệ thống thí nghiệm có sử dụng
vật liệu tự chế được thực hiện từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2014 với mục tiêu làm
giảm nồng độ đạm amôn trong hệ thống thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy
nồng độ amôn trong hệ thống giảm hơn 99%. Kiến nghị cần tiến hành thí nghiệm
với nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản, lò giết mổ gia súc.
Từ khóa: ammonium, hiếu khí, biofilm
iv
MỤC LỤC
BÌA TRONG ................................................................................................................ i
PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG .................................................................................. ii
TÓM LƯỢC ............................................................................................................... iii
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANG SÁCH TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... vii
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................. viii
DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................. ix
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU........................................................................ 2
2.1 Sơ lượt về các hợp chất nitơ trong nước ............................................................. 3
2.2 Thành phần nước thải thải thủy sản.................................................................... 2
2.3 Màng sinh học (biofilm) .................................................................................... 4
2.4 Vòng tuần hoàn nitơ .......................................................................................... 4
2.5 Quá trình Amonium hóa .................................................................................... 5
2.5.1 Quá trình amonium hóa urê ...................................................................... 5
2.5.2 Amonium hóa protid................................................................................. 6
2.6 Quá trình nitrate hóa .......................................................................................... 6
2.7 Quá trình khử nitrate .......................................................................................... 8
2.8 Một số yếu tố ảnh hưởng đến vi sinh vật ............................................................ 8
2.8.1 Độ ẩm môi trường .................................................................................... 8
2.8.2 Nhiệt độ.................................................................................................... 8
2.8.3 Ảnh hưởng của pH ................................................................................... 9
2.9 Một số nghiên cứu xử lý đạm bằng biện pháp sinh học ...................................... 9
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................11
3.1 Thời gian nghiên cứu ....................................................................................... 11
3.2 Địa điểm nghiên cứu ........................................................................................ 11
3.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 11
3.3.1 Phương tiện nghiên cứu .......................................................................... 11
3.3.2 Chuẩn bị vật liệu và lớp màng biofilm .................................................... 11
3.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm ......................................................................... 12
3.5 Phương pháp thu mẫu ...................................................................................... 13
3.6 Phương pháp phân tích .................................................................................... 14
3.7 Phương pháp xử lý số liệu................................................................................ 14
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................15
4.1 Kết quả lựa chọn vật liệu. ................................................................................ 15
4.2 Kết quả tạo màng ............................................................................................. 15
v
4.3 Kết quả thí nghiệm với dung dịch nước pha từ hoá chất có nồng độ tương đương
nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản.......................................................................... 16
4.3.1 Nhiệt độ.................................................................................................. 16
4.3.2 pH .......................................................................................................... 17
4.3.3 EC .......................................................................................................... 18
4.3.4 DO ......................................................................................................... 18
4.3.5 COD ....................................................................................................... 19
4.3.6 TP, TDP, P_PO43- ................................................................................... 21
4.3.7 N-NH4+................................................................................................... 23
4.3.8 N-NO2- ................................................................................................... 24
4.3.9 N-NO3- ................................................................................................... 24
4.3.10 TN ........................................................................................................ 26
4.3.11 Tổng vi sinh vật hiếu khí ...................................................................... 27
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 29
5.1 Kết luận..................................................................................................... 29
5.2 Kiến Nghị ..................................................................................................29
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
vi
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
BOD: Nhu cầu oxy sinh học
BTNMT: Bộ tài nguyên môi trường
COD: Nhu cầu oxy hoá học
DO: Nồng độ oxy bảo hoà
EC: Độ dẫn điện
LVTN: Luận văn tốt nghiệp
MSH: Màng sinh học
NT2: Nghiệm thức có màng biofilm
NTĐC: Nghiệm thức đối chứng
QCVN: Qui chuẩn Việt Nam
TDP: Tổng lân hoà tan
TN: Tổng đạm
TP: Tổng lân
vii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Kết quả phân tích chất lượng nước thải chế biến thủy sản ...................... 4
Bảng 3.1 Thành phần hóa chất sử dụng pha nước thải........................................... 12
Bảng 3.2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ........................................................ 13
Bảng 4.1 Giá trị nồng độ các chỉ tiêu phân tích nước máy..................................... 16
viii
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Chu trình nitơ tự nhiên ........................................................................... 5
Hình 3.1 Sơ đồ bể phản ứng.................................................................................. 12
Hình 4.1 Sự biến động nhiệt độ tại các thời điểm thu mẫu .................................... 17
Hình 4.2 Sự biến động pH tại các thời điểm thu mẫu ............................................ 18
Hình 4.3 Sự biến động EC tại các thời điểm thu mẫu ............................................ 19
Hình 4.4 Sự biến động DO tại các thời điểm thu mẫu ........................................... 20
Hình 4.5 Sự biến động COD tại các thời điểm thu mẫu ......................................... 21
Hình 4.6 Biến động photphorus trong hệ thống vật liệu không có màng................ 22
Hình 4.7 Biến động photphorus trong hệ thống vật liệu có màng .......................... 23
Hình 4.8 Biến động N-NH4+ tại các thời điểm thu mẫu ......................................... 24
Hình 4.9 Biến động N-NO3- tại các thời điểm thu mẫu .......................................... 25
Hình 4.10 Biến động N-NH4+ và N-NO3- và các lần lặp lại trên hệ thông thí nghiệm có
màng Biofilm ........................................................................................................ 26
Hình 4.11 Biến động TN tại các thời điểm thu mẫu .............................................. 27
Hinh 4.12 Sự cân bằng nitrogen trong nghiệm thức có màng biofilm .................... 28
ix
CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
Chế biến thủy sản là một trong ngành mũi nhọn thu được nhiều ngoại tệ cho
nước ta. Tuy nhiên, nước thải từ các hoạt động của ngành chế biến thủy sản cũng là
vấn đề cần quan tâm vì tính chất và thành phần của nó sẽ gây ra những vấn đề
nghiêm trọng về môi trường.
Nước thải thủy sản thường có các thành phần vượt quá quy chuẩn cho phép
nhiều lần. Trong khi đó lưu lượng nước thải tính trên đơn vị sản phẩm cũng lớn,
trung bình từ 30 – 80 m3 trên một tấn thành phẩm. (Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh
Triết, 2005)
Nước thải thuỷ sản có thể được xử lí bằng nhiều phương pháp, theo Lê Hoàng
Việt (2003) thì công trình xử lý nước thải có thể là các công trình xử lý cơ học, sinh
học, hóa học hoặc kết hợp các phương pháp trên. Theo Lê Gia Huy (2010), phương
pháp sinh học đã ứng dụng thành công trong việc loại bỏ chất thải hữu cơ và hữu cơ
dạng keo. Phương pháp sinh học chia làm hai loại xử lý bằng hệ vi sinh lơ lửng (hay
còn gọi là bùn hoạt tính), xử lý bằng hệ vi sinh bám dính (hay còn gọi là màng sinh
học). Phương pháp sinh học sử dụng hệ vi sinh vật bám dính có ưu thế hơn các
phương pháp khác.
Theo Nguyễn Thị Thu An (2013) nghiên cứu quá trình nitrate hóa đạm
amonium trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm sử dụng bể composite 35 lít để
thực hiện thí nghiệm, hiệu quả quá trình làm giảm 94.5% đạm amôn trong nước.
Đề tài “ Nghiên cứu quá trình giảm đạm amôn trong hệ thống thí nghiệm có sử
dụng vật liệu tự chế” được thực hiện nhằm kế thừa kết quả nghiên cứu trước bên
cạnh đó cải tiến hệ thống xử lí nhằm khắc phục những yếu điểm của hệ thống lớn
như các tác nhân thời tiết, nhưng hiệu suất xử lí không đổi.
Mục tiêu đề tài
Làm giảm đạm amôn trong dung dịch nước pha từ hoá chất có nồng độ tương
đương nước thải trong hệ thống thí nghiệm có sử dụng vật liệu tự chế.
Nội dung nghiên cứu
• Bố trí thí nghiệm.
• Tiến hành thu mẫu và phân tích các chỉ tiêu: pH, EC, DO, nhiệt độ,
NH4+, NO2-, NO3- , TN, TP, PO43-, COD và vi sinh vật hiếu khí.
1
CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Sơ lược về các hợp chất nitơ trong nước
Theo Lương Đức Phẩm (2002), trong nước các hợp chất Nitơ thường tồn tại ở
3 dạng : hợp chất hữu cơ, ammoniac và dạng oxi hóa (nitrate, nitrite), các dạng này
là khâu chuỗi phân huỷ các hợp chất chứa Nitơ hữu cơ như protein và hợp phần của
protein. Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, ammoniac, hoặc NH4OH
là nước mới bị ô nhiễm. Nếu nước chứa hợp chất Nitơ chủ yếu là nitrite (NO2-) là
nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài và nếu nước chỉ chứa chủ yếu là hợp chất Nitơ
ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân huỷ đã kết thúc. Bản thân nitrate
không có độc tính, nhưng trong cơ thể nó bị chuyển hóa 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.
Nitơ và Photpho là nguyên tố cơ bản của sự sống có mặt ở tất cả các hoạt động
liên quan đến sự sống và trong tất cả các ngành nghề sản xuất nông nghiệp công
nghiệp. Khi 1kg N dưới dạng hợp chất hóa học vào môi trường nước sẽ sinh ra
được 20kg COD, cũng tương tự như vậy 1kg P sẽ sinh ra được 138kg COD dưới
dạng tảo chết. Trong nguồn nước nhận giàu chất dinh dưỡng (N, P) thường xảy ra
các hiện tượng tảo và các thực vật phát triển nhanh tạo nên mật độ lớn. Vào ban
ngày hoặc khi nhiều nắng, quá trình quang hợp của tảo diễn ra mãnh liệt. Khi quang
hợp tảo hấp thụ khí CO2 hoặc bicarbonat (HCO3) nhả ra khí oxy, pH của nước tăng
nhanh, nhất là khi nguồn nước nhận có độ kiềm thấp (tính đệm thấp do cân bằng
của hệ H2CO3 – HCO3) thời điểm cuối buổi chiều, pH của một số ao, hồ giàu dinh
dưỡng có thể đạt giá trị trên 10. Nồng độ oxy hòa tan trong nước thường ở mức siêu
bão hoà, có thể tới 20 mg/l. Song song với quá trình quang hợp là quá trình hô hấp
(phân huỷ chất hữu cơ để tạo ra năng lượng, ngược với quá trình quang hợp xảy ra).
Trong khi hô hấp, tảo thải ra khí CO2, tác nhân làm giảm pH của nước. Trong các
nguồn nước giàu dinh dưỡng vào buổi sáng sớm, trước lúc bình minh, lượng oxy
trong nước hầu như cạn kiệt và pH có thể thấp hơn 5.5. Hiên tượng trên gọi là phú
nhưỡng. Trong môi trường phú nhưỡng thì pH và oxy hòa tan biến động liên tục và
mạnh là những tác nhân gây khó khăn thậm chí là môi trường không thể sống đối
với thủy động vật. (Lê Văn Cát, 2007)
2
2.2 Thành phần nước thải thủy sản
Khảo sát tình hình nước thải của các công ty chế biến thủy sản xuất khẩu Kiên
Giang. Nước thải thủy sản có thể chia thành ba nguồn khác nhau: nước thải sản
xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt, cả 3 loại nước thải này
đều có tính chất gần giống nhau. Trong đó nước thải sản xuất có mức độ ô nhiễm
cao hơn cả. Nước thải của phân xưởng chế biến thủy sản có hàm lượng COD dao
động trong khoảng từ 30-3000 (mg/L). Trong nước thường có vụn thủy sản và các
vụn này dễ lắng với hàm lượng chất lơ lững dao động từ 200-1000 (mg/L). Ngoài
ra, trong nước thải của các nhà máy chế biến thủy sản có chứa các thành phần hữu
cơ mà khi bị phân hủy sẽ tạo ra các sản phẩm trung gian của sự phân hủy các acid
béo không bão hòa, tạo mùi khó chịu và đặc trưng, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức
khỏe người dân. (Trần Văn Thoại, 2005 trích từ Nguyễn Thị Thu An, 2013).
Bảng 2.1 Kết quả phân tích chất lượng nước thải chế biến thủy sản
STT Chỉ tiêu Đơn vị Nồng độ
1 pH - 5.4 – 6.5
2 BOD mg/L 400 – 1272
3 COD mg/L 550 – 2000
4 TSS mg/L 178 – 400
Dầu mỡ động
5 mg/L 567 – 1204
thực vật
6 Nitơ tổng mg/L 109 – 200
7 Photpho tổng mg/L 7.1 – 21.4
(Theo Sổ tay công nghệ xử lí nước thải công nghiệp, 2009)
Thành phần và tính chất nước thải thủy sản rất đa dạng và phức tạp. Trong
nước thải thường chứa nhiều mảnh vụn thịt và ruột của các loại thủy sản, các mảnh
vụn này thường dễ lắng và dễ phân hủy gây nên các mùi hôi tanh. Ngoài ra, trong
nước thải đôi khi còn có chứa các thành phần hữu cơ mà khi bị phân hủy chúng sẽ
tạo ra các sản phẩm gây nên mùi hôi thối rất khó chịu và đặc trưng. (Lâm Minh
Triết, 2008)
Trong nước thải còn chứa rất nhiều chất dinh dưỡng đặc biệt là N và các chất
khoáng khác các chất này khi vào nguồn nước sẽ gây phú nhưỡng 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
3
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).
2.3 Màng sinh học (biofilm)
Các bề mặt tự nhiên hay nhân tạo khi tiếp xúc với vi sinh vật, vi sinh vật đều
tạo quần thể trên bề mặt đó. Khi các tế bào vi khuẩn phát triển trên bề mặt chúng
thường tạo biofilm (tập hợp các tế bào vi khuẩn gắn vào bề mặt), chèn trong mạng
lưới kết dính do tế bào tiết ra. Mạng lưới là hỗn hợp của các polysaccharide, nhưng
có chứa protein và thậm chí là acid nucleic. Các biofilm có thể chứa một, hai hoặc
phổ biến hơn chứa nhiều loài vi khuẩn (Nguyễn Minh Trí, 2013).
Vi khuẩn bám vào bề mặt theo nhiều cách khác nhau, một màng sinh học hoàn
chỉnh có thể dày từ 600-900 µm, tức là dày gấp mấy trăm lần một con vi khuẩn đơn
lẻ (một con vi khuẩn dài khoảng 1µm). Màng sinh học không phải là một chất vô
định hình, hay một khối đặc sệt các polysaccharides và vi khuẩn mà nó có tổ chức
và cấu trúc. Thậm chí là khu vực dày nhất của màng sinh học cũng cho luồng nước
chảy qua. Nước chảy qua các cấu trúc hình nấm của những khối cầu vi khuẩn, qua
đó cung cấp dinh dưỡng cho các vi khuẩn và đem chất thải ra môi trường bên ngoài
(Lương Đức Phẩm, 2002).
Theo Lương Đức Phẩm (2002), các vi khuẩn tạo nitrogen và các vi khuẩn
khác đã lập được mối quan hệ tương hỗ hai bên cùng có lợi và chặt chẽ trong các
màng sinh học của các bộ lọc sinh học, vì các vi sinh vật hiếu khí bình thường
phóng thích và nhả ra ammoniac trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, các
vi khuẩn tạo nitơ có thể dùng ammoniac (cố định đạm) làm nguồn năng lượng cho
mình. Rồi đến các vi khuẩn khử nitơ chuyên tiêu thụ axit có thể đã bảo vệ cho các
vi khuẩn tạo nitơ vốn đặc biệt nhạy cảm với tính axit. Vi khuẩn trong màng sinh học
sẽ có nhiều thuận lợi hơn là những vi khuẩn lơ lửng tự do trong nước, chúng sẽ chia
sẻ thông tin di truyền và trao đổi chất cho nhau.
2.4 Vòng tuần hoàn nitơ
Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003), lượng nitơ có
trong thiên nhiên rất lớn. Nitrogen ở trong không khí chiếm đến 75% theo trọng
lượng hay 78% theo thể tích không khí (tương đương 3.9 x 1015 tấn N2).
4
Vòng tuần hoàn nitơ trong thiên nhiên là khép kín nhờ các quá trình cố định
nitrogen, amonium hóa, nitrate hóa và phản nitrate hóa.
N2 khí quyển
Cố định nitơ
Protein trong cơ thể động vật và thực vật
Amon hóa
NO2-
NH3 hoặc NH4
Phản Nitrate
Nitrite hóa
Nitrosomonas
Nitrate hóa
NO3- NO2-
Nitrobacter
Hình 2.1 Chu trình nitơ trong tự nhiên
Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại 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 trong
đất. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành
các axit amin. Các axit amin được một nhóm vi sinh vật khác phân giải thành NH3
hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amonium hóa. Dạng NH4+ sẽ được chuyển hóa
thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrate hóa. Các hợp chất nitrate lại được
chuyển hóa thành dạng nitơ phân tử, quá trình này được gọi là quá trình phản nitrate
hóa được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrate (Trần Cẩm Vân, 2002).
2.5 Quá trình Amonium hóa
2.5.1 Quá trình amonium hóa urê
Theo Trần Cẩm Vân (2002), urê chiếm 2.2% nước tiểu người và động vật, ure
chiếm 46.6% N. Thực vật không thể đồng hóa urê mà phải qua quá trình amonium
hóa. Quá trình amonium hóa urê được ra làm hai giai đoạn. Vi khuẩn tham gia đồng
hóa thuộc nhóm kỵ khí bắt buộc hoặc hiếu khí. Chúng ưa pH trung tính hoặc hơi
kiềm.
5
2.5.2 Amonium hóa protid
Theo Trần Đức Lượng (2000), quá trình amonium hóa protid là quá trình hết
sức phức tạp. Ý nghĩa của nó đối với vi sinh vật là ở chổ chúng biến protid thành
axit amin. Từ axit amin chúng sử dụng là nguyên liệu cần thiết cho cơ thể.
Quá trình amonium hóa protein được thực hiện bởi nhiều vi sinh vật gây ra.
Các loài vi sinh vật có khả năng hô hấp khác nhau Những nhóm đại diên cơ bản
như: vi sinh vật hiếu khí, vi sinh vật hô hấp tùy diện và vi sinh vật yếm khí.
2.6 Quá trình nitrate hóa
Theo Trần Cẩm Vân (2002), sau quá trình amonium hóa, NH3 được hình thành
một phần được cây trồng hấp thụ, một phần phản ứng với các amion trong dất tạo
thành các muối amonium. Phần còn lại được oxy hóa thành dạng nitrate gọi là quá
trình nitrate hóa. Quá trình này gồm hai giai đoạn: giai đoạn nitrite hóa, giai đoạn
nitrate hóa.
Theo Lê Hoàng Việt (2003), quá trình nitrate hóa có một ý nghĩa quan trọng
trong kỹ thuật xữ lý nước thải. Quá trình nitrate hóa tích lũy lượng oxy dự trữ có thể
dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitrogen khi lượng oxy tự do đã tiêu
hao hoàn toàn cho quá trình nitrate hóa.
2.6.1 Giai đoạn nitrite hóa
Theo Trần Cẩm Vân (2002), quá trình oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- được tiến
hành bởi nhóm vi khuẩn nitrite hóa. Chúng thuộc nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa
năng có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí và tạo ra năng lượng.
NH4+ + 3/2O2 → NO2- + H2O + 2H + Năng lượng
Năng lượng này dùng để đồng hóa CO2 → Cacbon hữu cơ
Enzym xúc tác cho quá trình này là enzym của quá trình hô hấp háo khí.
Nhóm vi khuẩn nitrit hóa gồm 4 chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis,
Nitrozolobus và Nitrosospira (Trần Cẩm Vân, 2002).
Vi khuẩn Nitrosomonas có hình cầu hoặc bầu dục ngắn. Chúng thuộc vi khuẩn
gram (-), không bào tử. Chúng có tiêm mao dài nên chuyển động được. Vi khuẩn
Nitrsospira có hình thái thay đổi rất mạnh tùy thuộc vào môi trường mà chúng tồn
tại. Nhìn chung, chúng có hình dạng dấu phẩy (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị
Thùy Dương, 2003).
2.6.2 Giai đoạn nitrate hóa
Theo Trần Cẩm Vân (2002), quá trình oxy hóa NO2- thành NO3- được thực
hiện bởi nhóm vi khuẩn nitrate. Chúng là những vi sinh vật tự dưỡng hóa năng có
6
khả năng oxy hóa NO2- tạo thành năng lượng. Năng lượng này dung để đồng hóa
CO2 tạo thành đường.
NO2- + ½ O2 → NO3- + Năng lượng
Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hóa NO2- thành NO3- bao gồm 3 chi khác nhau:
Nitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus.
Theo Nhuyễn Đức Lượng Và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003), vi khuẩn
Nitrobacter thuộc vi khuẩn gram (-) và không tạo bào tử. Chúng có thể sử dụng CO2
làm nguồn carbon và không cần các hợp chất hữu cơ trong quá trình phát triển của
mình. Theo Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết (2005), pH tối ưu để cho tăng
trưởng của Nitrobacter trong khoảng 7.2 đến 7.8.
Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003), quá trình
nitrate hóa thường xuyên xảy ra trong môi trường nước và có ý nghĩa rất lớn đối với
thực vật sống trong nước. Quá trình này cũng có ý nghĩa rất lớn đối với môi trường
sống. Nhờ đó ô nhiễm ít xảy ra.
2.6.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa
 pH
pH môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi khuẩn nitrate hóa.
Khi pH trong môi trường quá cao dẫn đến việc tạo ra một lượng lớn NH3 trong môi
trường và làm ức chế sự phát triển của vi khuẩn oxy hóa amonium và nitrite. Khi
pH môi trường quá thấp dẫn đến việc tích tụ một lượng lớn axit nitrite và chất ức
chế sự phát triển của vi khuẩn nitrate hóa ( Trần Liên Hà và ctv., 2007)
Theo Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết (2005) pH tối ưu cho
Nitrosomonas và Nitrobacter nằm trong khoảng 7.5-8.5. Quá trình nitrate hóa
ngừng lại ở pH thấp hơn 6.
 Nhiệt độ
Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn nitrate hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
thích hợp trong khoảng 8-30ºC. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình vào khoảng 30ºC (Đỗ
Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết, 2005)
 Nồng độ oxy
Theo Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết (2005) nồng độ oxy là một trong
những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát quá trình nitrate hóa. Hằng số bán bão hòa
của oxy (Ko) là 1.3 mg/L. Để tiến hành quá trình nitrate hóa oxy phải được phân
phối tốt trong bể bùn hoạt tính hiếu khí và nồng độ oxy hòa tan không nên dưới 2
mg/L. Để oxy hóa 1 mg NH4+ cần 4.6 mg O2.
NH3+ + O2 → NO3- + H+ + H 2 O
7
 Tỷ số BOD5/TNK
Một phần vi sinh vật nitrate hóa bị giảm khi tỷ số BOD5/TNK tăng. Trong quá
trình nitrate hóa kết hợp oxy hóa cacbon, tỷ số này lớn hơn 5, trong quá trình nitrate
hóa riêng biệt, tỷ số này nhỏ hơn 3 (Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm Minh Triết, 2005).
 Sự ức chế của các chất độc hại
Quá trình nitrate hóa khá nhạy cảm với một vài hợp chất độc hại có trong nước
thải. Các hợp chất hữu cơ trong nước thải không gây độc trực tiếp cho các vi khuẩn
nitrate hóa. Sự ức chế của các hợp chất hữu cơ có thể là gián tiếp và có thể là suy
giảm oxy do các vi khẩn dị dưỡng. Các chất gây độc nhất cho vi khuẩn nitrate là
cyanide, thiourea, phenol, aniline, và các kim loại nặng (Đỗ Hồng Lan Chi và Lâm
Minh Triết, 2005).
2.7 Quá trình khử nitrate
Theo Lê Hoàng Việt (2003), quá trình khử nitrate là quá trình tách oxy khỏi
nitrite, nitrate dưới tác dụng của các vi khuẩn trong điều kiện không có oxy
(anoxic). Oxygen được tách từ nitrite, nitrate được dùng để oxy hóa các chất hữu
cơ. Quá trình này cũng trải qua hai giai đoạn: giai đoạn một biến đổi nitrate thành
nitrite, giai đoạn hai biến đổi nitrite thành các chất khí như nitric oxide, nitrous
oxide và khí nitrogen. Quá trình này được thực hiện bởi các vi khuẩn thuộc các
giống: Achromobacher, Aerobacter, Alcaligenes….
NO3- NO2- NO  N2O  N2
2.8 Một số yếu tố ảnh hưởng đến vi sinh vật
2.8.1 Độ ẩm môi trường
Theo Lê Xuân Phương (2001), hầu hết các quá trình sống của vi sinh vật có
liên quan đến nước do đó độ ẩm là yếu tố quan trọng của môi trường. Đa số các vi
khuẩn thuộc loại các vi sinh vật ưa nước (Hidrophile) nghĩa là chúng cần nước ở
dạng tự do, dễ hấp thụ. Chỉ có một số xạ khuẩn xếp vào loại ưa khô (Xerophile) vì
chúng sử dụng cả nước higrocopic găn trên bề mặt các hạt đất ở dạng phân tử. Khi
thiếu nước sẽ tạo ra hiện tượng loại nước ở tế bào vi sinh vật, trao đổi chất bị giảm
và tế bào sẽ chết. Tế bào vi sinh có 80 – 90% là nước, do đó có nước thì các chất
dinh dưỡng mới có thể hòa tan vào tế bào, nếu không như vậy thì sự sống không thể
tồn tại.
2.8.2 Nhiệt độ
Theo Nguyễn Đức Lượng (2000), để phát triển mỗi một vi sinh vật phát triển
trong một khoảng nhiệt dộ nhất định. Ngoài khoảng đó ra vi sinh vật sẽ bị hạn chế
sự phát triển.
8
Theo Lê Xuân Phương (2001), hoạt động của vi sinh vật bị giới hạn trong môi
trường chứa nước ở dạng hấp thụ, vùng nhiệt này của nước nằm từ -2oC đến 100oC
gọi và vùng sinh động học. Hầu hết các tế bào chết ở nhiệt độ trên 100oC (tức là
giới hạn trên của vùng sinh động học).
2.8.3 Ảnh hưởng của pH
Theo Nguyễn Đức Lượng (2000), phản ứng pH môi trường tác động trực tiếp
đến vi sinh vật. Ion hydro nằm trong thành phần môi trường làm thay đổi trạng thái
diện tích của thành tế bào. Tùy theo nồng độ của chúng mà làm tăng hoặc giảm khả
năng thẩm thấu của tế bào với những ion nhất định. Mặc khác chúng cũng làm ức
chế phần nào các enzyme có mặt trên thành tế bào.
Theo Lê Xuân Phương (2001), các giá trị pH (cực tiểu, cực đại và thích hợp)
cần cho sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật tương ứng với các giá trị pH cần
cho hoạt động lên men. Giới hạn pH cần cho hoạt động của vi sinh vật từ 4 – 10.
Các vi khuẩn thích hợp ở môi trường trung tính có pH từ 7 – 7.5, các loài nấm thích
hợp ở môi trường axit có pH thích hợp là 4 – 5.
2.9 Một số nghiên cứu xử lý đạm bằng biện pháp sinh học
Nghiên cứu của Lê Anh Kha và Masayuki Seto (2003) cho thấy các khối bê
tông rỗng và đất nung là các vật liệu hiệu quả để loại bỏ đạm và lân trong nước thải
đạt hiệu suất 85%.
Đề tài nghiên cứu của Đoàn Thị Thúy Oanh (2005) về việc loại một số hợp
chất nitơ trong nước bằng vật liệu tự chế và nhựa cho thấy màng sinh học trên bề
mặt các vật liệu đã loại được 4.8g N-NO3/ngày hay 84.2g N-NO3/ngày/m3.
Kết quả nghiên cứu của Đoàn Ngọc Minh (2007) cho thấy vật liệu tự chế là
các khối bê tông và đá phổi đã loại bỏ được 109.8g N-NO3 đối với nước thải pha từ
hóa chất.
Lê Anh Kha và Phạm Việt Nữ (2013) cho rằng vật liệu tự chế là những khối
bê tông rỗng và đất phèn nung có khả năng xử lý nitơ trong nước thải thủy sản với
hiệu suất 89.7%.
Công trình nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu An (2013) khi sử dụng bể
composite có thể tích 35 lít để làm bể phản ứng. Bố trí thí nghiệm với nước thải pha
bằng hóa chất có nồng độ amonium tương đương với nồng độ amonium của nước
thải nhà máy chế biến thủy sản trong điều kiện khối bê tông có màng biofilm thì
khối bê tông đóng vai trò như một giá thể để hệ vi sinh bám dính thực hiện tốt phản
ứng nitrate hóa trong nước, hiệu suất xử lý đạt 87.86%.
9
Công trình nghiên cứu của Bùi Phương Thảo ở trường Đại học Khoa học Tự
nhiên khi sử dụng đá Sulfua canxi cacbonat combostie trong hệ thống xử lý đạm
hòa tan trong nước bằng biện pháp sinh học cho thấy hiệu suất xử lý đạt 89%.
Công trình nghiên cứu của Phạm Khắc Liệu Đại học Huế (2008) nghiên cứu
xử lý nitơ trong nước thải qua hệ thống SNAP. Nghiên cứu cho thấy hiệu suất
chuyển hóa amoni trong nước thải đạt gần 90% và loại nitơ gần 80%.
Công trình nghiên cứu thử nghiệm xử lý nước thải bằng vi sinh vật của Võ
Quang Nhân và Trương Quang Bình tại trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ
Chí Minh khi sử dụng tổ hợp vi sinh vật ở những nồng độ khác nhau trong điều kiện
hiếu khí và kỵ khí cho thấy khả năng áp dụng hệ vi sinh vật trong xử lý nước thải
chế biến thủy sản là có ý nghĩa thực tế. Các chỉ tiêu khảo sát đều có hiệu suất tương
đối cao trong thời gian ngắn, nhiều chỉ tiêu khảo sát đều nằm trong giới hạn cho
phép thải ra nguồn tiếp nhận loại B.
10