Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất Nitơ trong nước thải của vi sing vật

i ra sơng, hồ quá mức sẽ gây ra một hiện tượng ơ nhiễm, điển hình là hiện tượng phú dưỡng hĩa kích thích sự phát triển nhanh của rong, rêu, tảp làm bẩn nguồn nước. Việc áp dụng các phương pháp sinh học để xử lý nước thải hiện nay đang là vấn đề cần được chú ý và phát triển, đây là phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tạo ra sản phẩm cĩ lợi như carbonic, nước và các chất vơ cơ khác. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ Nitơ là một nguyên tố hĩa học trong bảng tuần hồn các nguyên tố cĩ ký hiệu N và số nguyên tử bằng 7. Ở điều kiện bình thường nĩ là một chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ, cịn gọi là đạm khí. Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống. Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các axit amin, axit nucleic, ammoniac, axit nitrite, cyanua… Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nĩ bị chuyển hĩa rất chậm thành các hợp chất cĩ ích về mặt sinh học và cơng nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn. Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của cơng nghiệp hĩa chất hiện đại, trong đĩ nitơ được chuyển hĩa thành amomniac. Ammoniac cĩ thể được sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân bĩn, hay làm nguyên liệu cho nhiều hĩa chất quan trọng khác. Các muối của acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như hay diêm tiêu, thuốc súng và nitrate amoni. Các hợp chất nitrate hữu cơ khác, như TNT. Acid nitrite được sử dụng làm chất oxi hĩa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng. Ammoniac là một hợp chất quan trọng giữa N và H. Ammoniac cĩ tính bazơ, trong dung dịch thì nĩ tạo ra các cation amoni (NH4+). Các khác cĩ cấu trúc tương tự là dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) và nitơ dioxit (NO2). Các oxit tiêu chuẩn hơn là dinitơ trioxit (N2O3) và dinitơ pentoxit (N2O5), trên thực tế là tương đối khơng ổn định và là các chất nổ. Các axit tương ứng là acid nitrơ (HNO2) và acid nitrite (HNO3), với các muối tương ứng được gọi là nitrite và nitrate. Acid nitrite là một trong ít các axit mạnh hơn hydroni. Bảng 1.1 Trạng thái hĩa trị của hợp chất nitơ trong hợp chất hĩa học. Hợp chất Hĩa trị Cơng thức hĩa học Amoni/ ammoniac -3 NH4+/ NH3 Khí Nitơ 0 N2 Dinitơ oxit +1 N2O Nitơ oxit +2 NO Nitrite +3 NO2- Dinitơ trioxit + 3 N2O3 Nitơ dioxit +4 NO2 Nitrate +5 NO3- Dinitơ pentoxit +5 N2O5 1.2 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.2.1 Chu trình sinh địa hĩa nitơ Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hĩa học tham gia và chuyển hĩa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là chuyển hĩa giữa các dạng hợp chất vơ cơ và hữu cơ chứa nitơ. Vi khuẩn cố định trong đất Vi khuẩn cố định N trong rể cây Nhiên liệu hóa thạch Nitơ khí quyển Núi lửa Năng lượng tỏa ra từ công nghiệp Xác động thực vật urê Phân bón Tia sét mưa Đồng hóa Amon hóa Phân hủy (vi khuẩn, nấm) Khử nitrat Họat động con người Họat động tự nhiên Hình 1.1 Chu trình sinh địa hĩa nitơ Hợp chất nitơ vơ cơ đơn giản và đầu tiên hết là nitơ tự do trong khơng khí. Nitơ vơ cơ này chuyển hĩa thành nitơ hữu cơ nhờ quá trình cố định nitơ của vi sinh vật, thực vật. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, acid amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tồn tại trong đất. Dưới tác dụng của nhĩm vi sinh vật hoại sinh thực hiện quá trình amon hĩa phân giải thành các acid amin. Các acid amin này lại được một nhĩm vi sinh vật phân giải thành ammoniac. Ammoniac tiếp tục được chuyển hĩa thành các hợp chất của nitrite, nitrate nhờ nhĩm vi sinh vật nitrate hĩa. Dạng nitrate được chuyển hĩa thành nitơ phân tử nhờ quá trình phản nitrate hĩa trả lại nitơ tự do cho khí quyển. Như vậy, vịng tuần hồn nitơ được khép kín. Trong hầu hết các giai đoạn chuyển hĩa của vịng tuần hồn đều cĩ sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của nhĩm nào đĩ ngừng lại, tồn bộ sự chuyển hĩa của vịng tuần hồn sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng. Hợp chất nitơ (protein, urea…) Vi sinh vật thủy phân Tế bào thực vật Ammoniac Tạo sinh khối Tế bào nitơ hữu cơ Phân hủy nội bào NO2- Khử nitrat Khí Nitơ NO-3 Chất hữu cơ Carbon Hình 1.2 Chu trình nitơ Quá trình amon hĩa Quá trình amon hĩa là quá trình oxy hĩa các hợp chất nitơ hữu cơ như acid amin, protein, ure … thành nitơ vơ cơ, CO2 và nước. Quá trình amon hĩa bao gồm 2 quá trình. 1.2.2.1 Amon hĩa ure Ure cĩ trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22% nước tiểu. Trong cơng thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nitơ, vì thế nĩ là nguồn dinh dưỡng đạm tốt với cây trồng. Quá trình amon hĩa chia làm hai giai đoạn. Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonat amoni. Sau đĩ, carbonat amoni được chuyển hĩa thành NH3, CO2 và H2O bằng một phản ứng hĩa học thơng thường. CO(NH2)2 + 2H2O à (NH4) 2 CO3 (giai đọan 1) (NH4) 2 CO3 à 2NH3 + CO2 + H2O (giai đoạn 2) Một số lồi vi sinh vật tiết enzyme urease cĩ hoạt tính phân giải cao như Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae.... Đa số chúng thuộc nhĩm hiếu khí hoặc kỵ khí khơng bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm. Bởi vậy khi sử dụng ure làm phân bĩn người ta kết hợp với bĩn vơi, đồng thời xới xáo làm thống đất. 1.2.2.2 Amon hĩa protein Protein là thành phần quan trọng của tế bào sinh vật. Khi sinh vật chết đi, protein được tích lũy trong đất. Protein chứa 15 – 17% nitơ nhưng cây trồng khơng thể hấp thụ trực tiếp protein mà phải thơng qua quá trình amon hĩa. Quá trình này cĩ thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhĩm vi sinh vật phân hủy protein cĩ khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase và peptidase. Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acid amin.. Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giải thành các polypeptide và oligopeptide. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đĩ được phân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào. Một phần các axit amin được tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các acid amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác. Với các protein cĩ chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhĩm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhĩm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H2S, scatol, indol hay mercaptan .Hấp thụ vào tế bào Protein Oligopeptide,polypeptide Acid amin Khử acid amin Protease peptitdase NH3, NH4+ Trong điều kiện hiếu khí, các acid amin bị vơ cơ hĩa tạo sản phẩm là ammoniac, carbonic và nước. Trong điều kiện kỵ khí lại diễn ra quá trình khử amin tạo nhiều loại hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khĩ chịu như indol và scatol. Khử amin cĩ thể xảy ra theo một trong những phương thức sau: R – CH(NH2)COOH à R – CHCOOH + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O à R – CH2OH – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH + ½ O2 à R – CO – COOH + NH3 R – CH(NH2)COOH + O2 à R – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O à R – CO – COOH +NH3 + 2H Các nhĩm vi sinh vật hiếu khí cĩ khả năng phân hủy protein: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S. griseus Vi nấm: Aspergillus oryzae, A. flavour, A. niger, Penicilium camemberti… Vi sinh vật yếm khí : Vi khuẩn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện : Vi khuẩn Proteus vulgaris, Bacillus coli… 1.2.3 Quá trình Nitrate hĩa Sau quá trình amon hĩa, NH3 được hình thành một phần được thực vật hấp thụ, một phần kết hợp với các hợp chất trong đất tạo thành các muối amon với ion NH4+. Một phần muối amon cũng được cây trồng và vi sinh vật hấp thụ, một phần được oxy hĩa thành nitrate. Quá trình nitrate hĩa bao gồm 2 giai đoạn: nitrite hĩa và nitrate hĩa 1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hĩa Là quá trình oxy hĩa NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrate hĩa thuộc nhĩm tự dưỡng hĩa năng, cĩ khả năng oxy hĩa NH4+ bằng oxy khơng khí và tạo ra năng lượng. NH4+ + 3/2 O2 à NO2- + H2O + 2H + Năng lượng Năng lượng dùng để đồng hĩa CO2 tạo ra carbon hữu cơ. Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hơ hấp hiếu khí. Nhĩm vi sinh vật nitrite hĩa bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira 1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hĩa. NO2- tạo thành tiếp tục được oxy hĩa thành NO3- bởi nhĩm vi khuẩn nitrate. Đây cũng là các vi khuẫn tự dưỡng hĩa năng, thực hiện phản ứng oxi hĩa nitrite để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hĩa Năng lượng CO2. NO2- + ½ O2 à NO3- + Nhĩm vi khuẩn nitrate gồm 3 chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Ngồi nhĩm vi khuẩn tự dưỡng hĩa năng nĩi trên, trong đất cịn cĩ một số lồi vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hĩa. Đĩ là lồi vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces... 1.2.4 Quá trình phản nitrate Các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử thành nitơ phân tử. Quá trình này gọi là quá trình phản nitrate hĩa được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhờ các vi sinh vật phản nitrate hĩa. Khi đĩ, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuổi hơ hấp kỵ khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào. Nhĩm vi khuẩn thực hiện quá trình phản nitrate hĩa phân bố rộng rãi trong đất. Thuộc nhĩm tự dưỡng hĩa năng cĩ Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas agilis ...thuộc nhĩm dị dưỡng cĩ Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis... Trong các mơi trường tự nhiên ngồi quá trình phản nitrate sinh học nĩi trên cịn cĩ quá trình phản nitrate hĩa học khơng cĩ sự tham gia của vi sinh vật thường xảy ra ở pH < 5.5. 1.2.5 Quá trình cố định Nitơ Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử nitơ thành NH3 dưới tác dụng enzyme của enzyme nitrogenase của vi sinh vật. Đây là quá trình quan trọng nhất để chuyển hĩa nitơ vơ cơ thành nitơ hữu cơ. Cĩ 3 nhĩm vi sinh vật cĩ khả năng cố định nitơ: Nhĩm cộng sinh với cây họ đậu, nhĩm sống tự do trong đất và nhĩm tảo. Trong đĩ, gĩp phần quan trọng nhất là nhĩm Rhizobium sống cộng sinh với cây họ đậu. Cơ chế của quá trình cố định nitơ cần enzyme nitrogenase của vi sinh vật, leghemoglobin của thực vật và năng lượng tế bào. Nitrogenase N2 + 6e + 12ATP + 12H2O à 2NH4+ + 12ATP + 12P + 4H+ Nitrogenase bao gồm 2 thành phần khác nhau, một phần gồm protein và Fe, một phần gồm protein, Fe, Mo. Electron của chất khử sẽ đi vào thàh phần thứ nhất của nitrogenase (phần chứa protein và Fe) sau đĩ được chuyển sang thành phần thứ hai, qua đĩ electronic được hoạt hĩa cĩ thể phản ứng với nitơ . Nitơ cũng đi qua hai thành phần của nitrogenase và được hoạt hĩa. Hydro được hoạt hĩa nhờ các enzyme của hệ thống hydrogenase. Năng lượng dùng trong quá trình này là ATP của tế bào. Cuối cùng NH3 được hình thành. NH3 được hình thành đến một mức độ nào đĩ sẽ kiềm hãm sự họat động của Nitrogenase, nĩ chính là yếu tố điều hịa hoạt tính của enzyme. Như vậy, cĩ thể tĩm tắt quá trình chuyển hĩa các hợp chất nitơ trong tự nhiên như sau: Vi khuẩn nitrate hĩa nitrobacter nitrosomonas Phân hủy Protein NH3 NO2- NO3- Vi khuẩn phản nitrate hĩa NO3- NO3- NO N2O N2 Quá trình quang hợp của cây Leghemoglobin Nitrogenaza N2 NH3 ATP e e Bảng 1.2 Tĩm tắt các quá trình chuyển hĩa nitơ trong tự nhiên Quá trình Cơ chất Sản phẩm Vi sinh vật tham gia Amon hĩa Hợp chất nitơ hữu cơ Nitơ vơ cơ, CO2 và nước Bacillus mycoides, B. mesentericus, B.subtilis,Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum ... Nitrate hĩa NH3 NO3- Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira, Nitrobacter, Nitrospira,... Phản nitrate hĩa NO3- N2 Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans... Cố định N Nitơ NH3 Rhizobium.. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI 2.1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC Trong mơi trường nước, nitơ cĩ thể tồn tại dưới dạng hợp chất vơ cơ, hữu cơ hịa tan hay khơng hịa tan. Các hợp chất vơ cơ quan trọng của nitơ là NH3, NH4+, NO2-, NO3-. Nitơ dạng khí cĩ được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngồi khơng khí vào hay cịn cĩ thể được hình thành trong quá trình phản nitrate hĩa. Các dạng hợp chất vơ cơ hịa tan cĩ được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng hợp chất Albumine dưới tác dụng của vi sinh vật, đạm albumine sẽ biến thành dạng đạm ammoniac (NH3) và ammoniac sẽ hịa tan vào nước hình thành NH4+. Sau đĩ, NH3 và ion NH4+ sẽ biến thành dạng đạm nitrite(NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hĩa. Thực vật cĩ thể hấp thu nhiều dạng đạm nĩi trên nhưng hấp thu NH4+ và NO3- là tốt nhất, mỗi lồi thực vật ưa một dạng đạm khác nhau. Một số lồi vi khuẩn và tảo lại cĩ khả năng sử dụng nitơ phân tử nhờ quá trình cố định nitơ. Hầu hết đạm NO3- được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đĩ bị lắng tụ ở bùn đáy. Đạm chứa trong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy khác. Hai quá trình yếm khí là cố định nitơ và phản nitrate do tảo lam và vi khuẩn thực hiện, trong đĩ, quá trình phản nitrate hầu như xảy ra trong tầng đáy ở vùng cửa sơng hay đất ngập nước. Các chất đạm hữu cơ trong mơi trường nước hiện diện trong cơ thể thực vật, động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hịa tan. Sơng, suối, nước mưa, nước thải cĩ chứa Nitrate và Ammoniac Cố định đạm N2 N2O NO2 Vi khuẩn + Sinh trưởng Thực vật phù du NO3 Sinh trưởng Nitrate hĩa Động vật phù du NO2 Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy Hình 2.1 Chu trình nitơ trong nước Quá trình amon hĩa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong mơi trường nước diễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí. Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hĩa hồn tồn thành các hợp chất vơ cơ, giúp làm sạch mơi trường nước. Trong điều kiện kỵ khí, các acid amin khơng được vơ cơ hĩa hồn tồn, bên cạnh NH3 và CO2 cịn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khĩ chịu cho thủy vực. Quá trình amon hĩa protein giữ vai trị quan trọng trong việc khép kín vịng tuần hồn Nitơ nhờ quá trình này mà Nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon dễ dàng được thực vật sử dụng. Nhờ quá trình này mà NH3 luơn luơn được phục hồi, cung cấp cho thực vật thủy sinh. Cĩ nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào quá trình này, chủ yếu là các lồi Bacillus như: B. mesentericus, B.mycoide, B. sustilis,…Số lượng của chúng trong thủy vực khác nhau thì rất khác nhau, thường trong các thủy vật nước ngọt số lượng của chúng nhiều thủy vực nước măn và nước lợ. Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hĩa trong mơi trường nước đi cùng quá trình đồng hĩa CO2 cho cơ thể. Ở thủy vực nước ngọt cĩ các lồi thuộc giống Nitrobacter và trong các thủy vực nước lợ, mặn cĩ Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hĩa phân bố rất ít trong các thủy vực sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các thủy vực giàu dinh dưỡng số lượng của chúng cĩ nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khỏang 10 tế bào/ml nước. Số lượng của chúng trong thủy vực dao động theo mùa. Quá trình nitrate hĩa chỉ xảy ra khi cĩ mặt của oxy (kể cả nồng độ thấp), nghĩa là trong mơi trường thĩang khí, cịn trong mơi trường yếm khí với sự cĩ mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hĩa đĩ là quá trình phản nitrate hĩa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O), NH2OH, NH3 và N2. Vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hĩa bao gồm bao gồm các loại kỵ khí khơng bắt buộc như: Pseudomonas, Bacillus...Trong điều kiện hiếu khí, chúng oxy hĩa các chất hữu cơ bằng oxy của khơng khí, cịn trong điều kiện kỵ khí, chúng tiến hành oxy hĩa các hợp chất hữu cơ bằng con đường khử hydro để chuyển hydro cho nitrate và nitrite. Quá trình này khơng cĩ lợi ví nĩ làm mất Nitơ trong thủy vật và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Trong đa số sinh cảnh, vi sinh vật cĩ thể khử nitrate thành nitrite, chứ khơng cĩ thể khử tiếp thành các dạng hợp chất khác. Do đĩ, ở đâu cĩ quá trình phản nitrate hĩa xảy ra mạnh thì ở đĩ cĩ nhiều nitrite. Trong mơi trường thống khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện bởi các lồi vi khuẩn Azotobacter như A. Agile và A.chroococcum. Ở sơng, hồ thì hầu như gặp chúng ở mọi nơi. Tại phần lắng đọng yếm khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện bởi các lồi Clostridium như Clostridium pateurianum. Gần đây, người ta đã xác định ngồi các lồi Azotobacter và Clostridium thì cịn cĩ các lồi vi khuẩn khác cũng cĩ khả năng đồng hĩa nitơ phân tử bao gồm cả vi khuẩn quang tự dưỡng lẫn dị dưỡng. Tuy nhiên, ở chúng thì sự gắn kết Nitơ cĩ hiệu quả thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hĩa một lượng nitơ đánh kể, chúng chỉ cĩ vai trị ở những phần lắng đọng yếm khí, cịn trong mơi trường thống khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện chủ yếu bởi các lồi tảo xanh thuộc giống Nostoc, Phormidium, Calothrix,... bởi vì các giống tảo này thường rất nhiều trong các thủy vực. 2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ 2.2.1 Nước thải sinh hoạt Nguồn nước thải sinh họat gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt cá, nước từ nhà hàng, khách sạn….chiếm 52% chất hữu cơ, 48% các chất vơ cơ. Chúng được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất ammoniac, protein, peptid, acid amin cũng các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Ngồi ra nước thải sinh hoạt cĩ chứa một lượng các thành phần dinh dưỡng khác rất cao. Nhiều trường hợp, lượng chất dinh dưỡng này quá cao vượt quá nhu cầu phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học. Trong các cơng trình xử lý nước thải theo phương pháp sinh học, lượng dinh dưỡng cần thiết trung bình tính theo tỷ lệ BOD5 : N: P là 100: 5: 1. Bảng 2.1 Tải lượng ơ nhiễm từ nước thải sinh hoạt. Chỉ tiêu ơ nhiễm Hệ số tải lượng (g/người.ngày) Tải lượng ơ nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lủng 70 - 145 89 – 184,5 Amoni (N – NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 - 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng 6 - 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 - 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO Nước thải sinh hoạt chứa hàm lương các chất cặn bã, các chất rắn lơ lửng (SS), các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng (N,P). Nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải sinh họat như sau: Bảng 2.2 Nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ơ nhiễm Nồng độ ơ nhiễm (mg/m3) Chất rắn lơ lửng 730 – 1510 Amoni (N – NH4) 25 – 1510 BOD5 469 – 563 Nitơ tổng 63 – 125 Tổng photpho 8 – 42 COD 570 - 1063 Dầu mỡ 104 - 313 Nguồn: Hồng Huệ – Xử lý nước thải 2.2.2 Nước thải cơng nghiệp Ơ nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất cơng nghiệp liên quan chủ yếu tớ chế biến thực phẩm, sản xuất phân bĩn hay trong một số ngành đặc biệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc gia… Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, liên quan đến thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các lọai thịt, sữa, đậu…Hợp chất chứa nitơ được thải ra lượng lớn từ các thành phần như máu, mỡ, phân cùng các mẫu thịt hịa tan vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ trong mơi trường và lọai sản phẩm chế biến. Nồng độ hợp chất chứa nitơ trong nước thải cơng nghiệp cũng biến đổi rất mạnh, khơng chỉ theo mùa vụ mà cịn cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm xuất đồng thời nhiều lọai sản phẩm. Bảng 2.3 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải cơng nghiệp Nguồn Nồng độ Nitơ tổng (mg/l ) Giết mổ 115 Chế biến thịt 6 Chế biến thủy sản Cá da trơn Cua Tơm Cá 33 (28 – 50) 94 (58 – 138) 215 (164 – 266) 30 Chế biến rau, quả, đồ uống 4 Bột, sản phẩm khoai tây 21 ( 5 – 40) Rượu vang 40 (10 – 50) Hĩa chất, phân bĩn NH3 – N NO3 – N 1270 550 Nguồn: H. R. Jones. Pollution control in the dairy industry. London 2.2.3 Nước thải nơng nghiệp, chăn nuơi Canh tác nơng nghiệp về nguyên tắc phải bĩn phân đạm cho cây. Trong rất nhiều trường hợp người ta cịn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất chứa nitơ trong đĩ để làm phân bĩn cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân bĩn cây trồng khơng hấp thụ hồn tồn mà một phần sẽ bị phân hủy, rửa trơi vào mơi trường nước. Trong mơi trường nước urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành ammoniac và khí carbonic. CO(NH2)2 + H2O à CO2 + 2NH3 Nguồn nước thải phát sinh trong chăn nuơi cĩ lưu lượng nhỏ hơn so với nước thải sinh họat, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng trại chăn nuơi chứa một lượng chất rắn khơng tan lớn: phân, bùn đất, thức ăn thừa, các hợp chất chứa nitơ được thốt ra ngồi từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nước thải chuồng trại của các lịai nuơi khác nhau cĩ độ ơ nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau. Bảng 2.4. Thành phần nitơ trong phân một số lồi động vật. Phân lồi nuơi Độ ẩm% N % Bị thịt 85 0,5 Bị sữa 85 0,7 Gia cầm 72 1,2 Lợn 82 0,5 Dê, Cừu 77 1,4 Nguồn: Treatment management. Kluver Academic Press 2.3 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC Giới thuỷ sinh cĩ trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao, như tơm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng trong nước, mức độ oxi hịa tan, nồng độ các chất cĩ độc tính…sẽ ảnh hưởng đến đời sống của giới này cĩ trong nước. Nĩi chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trước hết sẽ khơng cịn oxi hồ tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống của giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại. Đĩ là quá trình tự làm sạch của nước. Cĩ 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hĩa học, tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch tồn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đĩ vi sinh vật đĩng vai trị quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn . Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán và hấp thu các chất ơ nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật Chuyển hĩa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này cĩ mối liên quan rất chặt chẽ và cần vai trị rất quan trọng của giới thủy sinh. - Vi khuẩn đĩng vai trị chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng cĩ khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào cĩ trong tự nhiên, các chất đường bột, protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷ muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hố học tổng hợp bị phân huỷ chậm và rất chậm (cĩ khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm). Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chất béo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn. Bản thân tế bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật. Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các lồi thực vật nổi khác. - Tảo và các lồi thực vật nổi khác sử dụng các chất khống, trong đĩ cĩ CO2 cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân tử này làm giàu oxi hồ tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển và được sử dụng vào các phản ứng oxi hố khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ. Thực vật phù du, trong đĩ cĩ tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh và tơm cá nhỏ. - Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v…cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi. - Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng cĩ thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho nước trong. Chúng làm giảm lượng oxi hồ tan trong nước. - Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du. Cá lớn lại ăn cá bé. Người ăn cá và chất thải của người cĩ thể lại làm bẩn nước. Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình cĩ giới hạn, khi số lượng vi sinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ, nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường. Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ơ nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi tồn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm lượng oxy hịa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong mơi trường nước. Vi sinh vật khơng thể xử lý chất ơ nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự làm sạch. Nước dần bị ơ nhiễm nặng. Vì vậy, cần phải cĩ biện pháp xử lý nước thải ơ nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước 2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường khơng nhiều. Sau một thời gian, những nhĩm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số lồi dần phong phú hơn. Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản là quá trình đồng hĩa và quá trình dị hĩa. Quá trình đồng hĩa xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinh khối tế bào. Năng lượng cho quá trình đồng hĩa được lấy từ các phân tử cao năng như ATP, ADP ... , từ quá trình dị hĩa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào. Quá trình dị hĩa cĩ thể xảy ra bên trong và bên ngồi tế bào vi sinh vật, là quá trình phân hủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hĩa. Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường khơng chứa nhiều hợp chất hĩa học giàu năng lượng. Do đĩ, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bên ngồi như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng quang năng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hĩa các chất ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng hĩa năng. Đối với các nhĩm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ quá trình chuyển hĩa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Trong quá trình chuyển hĩa vật chất, vi sinh vật luơn luơn ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hĩa trước, sau đĩ mới sử dụng đến các vật chất khĩ chuyển hĩa hơn. Do đĩ, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong sinh trưởng kép. Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải Ghi chú : 1 : Giai đoạn thích nghi ban đầu 1’: Giai đoạn thích nghi với saccharose 1’’ Giai đoạn thích nghi với tinh bột 2 : Giai đoạn tăng trưởng ban đầu 2’: Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose 2’’ Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột 3 : Giai đoạn cân bằng 4 : Giai đoạn suy vong. A : Đường cong sinh trưởng kép B : Đường cong sinh trưởng đơn. Hình 2.3 Quá trình chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải 2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI Trong nước thải, nitơ thường tồn tại ở ba dạng: nitơ hữu cơ, ammoniac và dạng oxy hĩa (nitrite, nitrate). Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước bị ơ nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây ngộ độc với các và sinh vật trong nước. Nếu trong nước cĩ hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite (NO2-) là nước bị ơ nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy 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 N2O, NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào khơng khí. Nếu nitrate ở trong nước cao cĩ thể gây ngộ độc cho người. Amoniac (NH3) ở trong nước thải tồn tại dạng NH3 và NH4+ ( NH4OH, NH4NO3, (NH4)3SO4…) tùy thuộc vào pH của nước vì NH3 là một bazơ yếu. NH3 và NH4+ cĩ vai trị thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng hĩa. Tính độc của NH3 cao hơn ion amon NH4+. Ở nồng độ 0.01 mg/l, NH3 đã gây ngộ độc cho cá. Trong nước mặt tự nhiên vùng khơng ơ nhiễm cĩ hàm lượng amon (<0.05ppm), nước thải cơng nghiệp cĩ hàm lượng amon 10 ÷ 100mg/l. NH3 trong nước thải là sản phẩm của quá trình amon hĩa nhờ các vi sinh vật. Chúng phân hủy các hợp chất N hữu cơ, giúp làm giảm ơ nhiễm chất hữu cơ trong nước, đồng thời sản phẩm NH3 là nguồn cung cấp nitơ cho một số lồi khác khơng cĩ khả năng tham gia quá trình amon hĩa. Số lượng các vi sinh vật này trong nước thải rất khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc và thành phần loại nước thải. NH3 và ion NH4+ sẽ được chuyển thành dạng đạm nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hĩa. Các chất này là nguồn cung cấp đạm cho nguồn nước. Vi khuẩn tham gia quá trình này gồm các lồi: Nitrosomonas europara, Nitrobacter, Nitrosococcus sp. , Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hĩa phân bố rất ít trong mơi trường nước sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các mơi trường nước giàu dinh dưỡng số lượng của chúng cĩ nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khoảng 10 tế bào/ml nước. Quá trình nitrate hĩa chỉ xảy ra khi cĩ mặt của oxy, nghĩa là trong mơi trường thĩang khí, cịn trong mơi trường yếm khí với sự cĩ mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hĩa._.