Giới thiệu chung về Anammox

Quá trình oxi hóa amoni yếm khí (Anaerobic ammonium oxidation - Anammox), trong đó, amoni và nitrit được oxi hóa một cách trực tiếp thành khí N₂ dưới điều kiện yếm khí với amoni là chất cho điện tử, còn nitrit là chất nhận điện tử để tạo thành khí N₂. Đây là một phương pháp có hiệu quả và kinh tế so với quá trình loại bỏ amoni thông thường từ trong nước thải có chứa nhiều amoni. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp nitrat hóa và đề nitrat hóa thông thường là ở chỗ: đòi hỏi nhu cầu về oxi ít hơn và không cần nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài. Bước nitrat hóa bán phần phải được tiến hành trước để chuyển chỉ một nửa amoni thành nitrit. Sản phẩm chính của quá trình Anammox là N₂, tuy nhiên, khoảng 10% của nitơ đưa vào (amoni và nitrit) được chuyển thành nitrat. Dựa trên cân bằng khối qua quá trình nuôi cấy làm giàu Anammox, phương trình của quá trình Anammox được Strous và cộng sự đưa ra như sau [2].

NH₄⁺ + 1,3 NO₂- + 0,066 HCO₃^- + 0,13 H⁺ → 1,02 N₂ + 0,26 NO₃- + 0.066 CH₂O_0,5N_0,15 + 2,03 H₂O (1)

Hình 4. Cơ chế sinh hoá giả thiết của quá trình Anammox

Anammox là công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây. Nó không cần bất kỳ nguồn cacbon hữu cơ nào để loại bỏ nitơ. Vì vậy, nó đem lại lợi ích về kinh tế và mang lại nhiều tiềm năng cho xử lý nước thải có chứa amoni có hàm lượng cacbon hữu cơ thấp. Trong quá trình Anammox, amoni được chuyển thành N₂ với nitrit là chất nhận điện tử. Vì vậy, tỷ lệ hàm lượng giữa nitrit và amoni là khoảng 1,3 và cần nguồn cacbon vô cơ, vì vậy, phải bổ sung HCO₃^-.

Sự kết hợp hai quá trình nitrat hóa bán phần và quá trình Anammox dựa trên thực tế rằng: nitrit là hợp chất trung gian trong cả hai quá trình. Vì vậy, nitrat hóa bán phần để chuyển 1/2 amoni thành nitrit là thuận tiện và kinh tế; theo sau đó là quá trình Anammox đảm bảo loại bỏ toàn bộ nitơ thông qua quá trình hoàn toàn tự dưỡng. Nhu cầu oxi giảm đi chỉ còn 62,5% và tiết kiệm được đáng kể giá thành do không phải bổ sung thêm cacbon hữu cơ so với hệ thống nitrat hóa – đề nitrat thông thường [3].

Tuy nhiên, quá trình Anammox khó áp dụng cho việc xử lý nước thải thực tế. Trở ngại chính để ứng dụng quá trình Anammox là đòi hỏi một giai đoạn bắt đầu lâu dài (long startup period), chủ yếu là do tốc độ sinh trưởng chậm của vi khuẩn Anammox (thời gian nhân đôi là khoảng 11 ngày). Thêm vào đó, vi khuẩn Anammox là vi khuẩn yếm khí và tự dưỡng hoàn toàn nên chúng khó để nuôi cấy. Vì vậy, chúng chưa được phân lập trong môi trường nuôi cấy thuần túy (pure culture). Do đó, việc am hiểu về sinh lý học và động lực học của vi khuẩn Anammox là rõ ràng và có ý nghĩa lớn [3].

Hình 5. Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia (John Fuerst/Rick Webb) [4]

1.1.1. Vi khuẩn Anammox trong tự nhiên

Quá trình Anammox được thực hiện bởi vi khuẩn tự dưỡng thuộc nhóm Planctomycetales. Các vi khuẩn trong quá trình Anammox thuộc vào 3 giống sau: Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua. Vi khuẩn anammox được tìm thấy đầu tiên trong những tầng nước ở biển Đen, những khu vực có nồng độ oxi thấp ở đại dương. Chúng là loại cực khó để phân lập, và vì vậy, không có môi trường nuôi cấy tinh khiết nào giữ lại được. Tuy nhiên, quan trắc môi trường có vài môi trường nuôi cấy được làm giàu cao từ các thiết bị xử lý nước thải. Toàn bộ các vi khuẩn anammox đều có các ngăn được ngăn bởi màng trong tế bào được gọi là các Anammoxosome và quá trình anammox được diễn ra ở đó. Ở đây, amoni được oxi hóa thành nitrit theo con đường hydrazin (N₂H₄) và hydroxylamin (NH₂OH). Màng của anammoxosome chứa lớp lipit mà tạo thành các barie chặt chẽ chống lại sự phá hủy, là nơi xuất hiện đặc tính đặc biệt của anammox. Quá trình thủy phân làm các enzim trong màng xúc tác cho sự oxi hóa của NH₄⁺ với NO₂^-, với hydrazine và hydroxylamine, là chất trung gian và tạo ra một động lực proton đi qua màng được dùng để sản sinh ra ATP. Cấu trúc màng rất chặt chẽ hạn chế sự phá hủy của proton khi đi qua màng để tăng quá trình tạo ATP. Nó cũng ngăn chặn sự mất đi của các chất trung gian, và hạn chế chất trung gian hoạt động là hydrazine tới các anammoxosome, và vì vậy, ngăn chặn nó tạo ra những phá hủy đối với tế bào [4].

Người ta cũng nhận thấy rằng: cả các hỗn hợp vi khuẩn oxi hóa amoni và các vi khuẩn anammox dưới điều kiện yếm khí đều có thể sử dụng nitrit như chất nhận điện tử và amoni như là chất cho điện tử. Phương pháp FISH đã được sử dụng để nhận dạng các loại vi khuẩn oxi hóa amoni trong điều kiện yếm khí cho thấy rằng: có 3 loại là Nitrosomonas spp., Candidatus Brocadia anammoxidans và Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Quá trình nuôi cấy khi được tiến hành ở 42 mg N – NH₄⁺/L sẽ làm giàu cho Nitrosomonas spp. Chỉ có trên 30% Candidatus B. anammoxidans và K. stuttgartiensis là 2,1%, trong khi nếu tiến hành nuôi cấy ở nồng độ 210 mg N- NH4+/L thì B.anammoxidans và K. stuttgartiensis chiếm đến 85,6%. Tốc độ loại bỏ nitơ của vi khuẩn anammox (0,6 g N/g anammox VSS/ngày) cao hơn đáng kể so với vi khuẩn oxi hóa amoni (0,4 g N/g Nitrosomonas VSS/ngày) [5].

Phản ứng oxi hóa amoni yếm khí được tiến hành bởi hai loại vi khuẩn anammox có tên là Candidatus Brocadia anammoxidans và Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Vi khuẩn này trước đây đã được quan sát thấy ở Hà Lan, và sau đó là ở trong một vài thiết bị xử lý nước thải ở Đức và Thụy Điển. Hai loại vi khuẩn này rất giống nhau. Hoạt tính cao của anammox có thể nhận thấy ở cả hai loại này trong khoảng pH từ 6,4 đến 8,5, và nhiệt độ từ 20 đến 43^oC. Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của cả hai loại này là giống nhau. Hoạt tính anammox cao nhất của K. stuttgartiensis là 26,5 nmol N2/mg protein min ở pH 8 và 37^oC. Hoạt tính này thấp hơn so với hoạt tính anammox tối đa của B. anammoxidans. Tốc độ sinh trưởng (thời gian nhân đôi là 11 ngày) của cả hai là giống nhau. Hoạt tính của vi khuẩn anammox cao hơn gấp 25 lần vi khuẩn nitrat hiếu khí oxi hóa amoni dưới điều kiện yếm khí khi sử dụng nitrit là chất nhận điện tử. Quá trình oxi hóa amoni yếm khí chậm hơn 7 lần so với quá trình oxi hóa amoni hiếu khí. Vi khuẩn anammox rất nhạy cảm với oxi và nitrit. Nồng độ thấp ở 2μM và nitrit từ 5 đến 10mM đã gây ra ức chế hoàn toàn với anammox nhưng có thể phục hồi được [3].

Nuôi cấy làm giàu vi khuẩn anammox

- Nuôi cấy làm giàu bán mẻ:

Môi trường nuôi cấy tổng hợp bao gồm: (NH₄)₂SO₄ (1- 4,6mM), NaNO₂ (1-4,6mM), KHCO₃ (5mM), KH₂PO₄ (0,2mM), MgSO₄.7H₂O (1,2mM), CaCl₂.2H₂O (1,4mM) và 1mL dung dịch vết 1 và 2 [5].

Điều kiện nuôi cấy ở 37^oC trong điều kiện yếm khí ở pH = 7,5 trong chai nhựa 500mL chứa 25mL bùn hạt (xấp xỉ 50mg [khối lượng khô]/L). Môi trường tổng hợp này dựa trên nghiên cứu của Van de Graaf cùng cộng sự, Sliekers cùng cộng sự, Dapena- Mora cùng cộng sự. Môi trường tổng hợp này được cộng thêm dung dịch nitrit và amoni ở dạng NaNO₂ và (NH₄)₂SO₄ để phát triển hoạt tính của anammox. Khối lượng giữa nitrit và amoni thay đổi cùng sự sinh trưởng của anammox trong quá trình thí nghiệm. Nước thải tổng hợp được chuẩn bị hàng ngày để tránh sự thay đổi trong thành phần của đầu vào do hoạt động sinh học hoặc các nhân tố khác. Tỷ lệ giữa N-NH₄⁺ và N-NO₂^- trong đầu vào được giữ ở 1:1,3 đến 1:1,5. pH được giữ trong khoảng 7,7-8,4 [5].

- Nuôi cấy làm giàu dạng mẻ liên tiếp:

Quá trình làm giàu anammox thường được tiến hành trong thiết bị phản ứng theo mẻ liên tiếp (SBR), được cho thêm bùn hoạt tính vào từ bể phản ứng yếm khí. Thiết bị làm việc theo chu kì, gồm 3 giai đoạn: giai đoạn thứ nhất, đầu vào được đưa vào thiết bị phản ứng liên tục, sau đó tiến hành khuấy và ngừng cung cấp đầu vào và sinh khối được lắng, cuối cùng, phần nước ở trên được bơm ra ngoài thiết bị phản ứng. Thiết bị phản ứng được thổi vào liên tục hỗn hợp khí 95% Ar/ 5%CO₂ để duy trì điều kiện yếm khí. Việc phân lập và làm giàu anammox cần những điều kiện tối ưu, tạo điều kiện cho quá trình anammox, trong khi phải hạn chế sự sinh trưởng của các cộng đồng vi sinh vật khác. Do vậy, sự vắng mặt của oxi là cần thiết [6].

Còn khi tiến hành trong thiết bị UASB, vi khuẩn nitrat sẽ được đưa vào trong quá trình nuôi cấy làm giàu, có sử dụng thiết bị phân tán khí nhỏ (fine) và một bơm khí được sử dụng cho quá trình hiếu khí. Tốc độ dòng khí 6,4 L/phút được duy trì để giữ nồng độ oxi khoảng 4 mg/L. Nồng độ amoni dòng vào được tăng lên một cách từ từ cùng với sự gia tăng của quá trình tiêu thụ chất nền. Khi hoạt tính đặc biệt của vi khuẩn oxi hóa nitrit cao hơn 100 mg N/g VSS ngày, thiết bị hiếu khí được loại bỏ và thiết bị phản ứng được cho chạy dưới điều kiện yếm khí sau khi đẩy oxi bằng khí Argon trong 12h. Nước thải tổng hợp được đưa vào thiết bị phản ứng. Khi đạt được sự loại bỏ hơn 90% amoni và nitrit thì bắt đầu tăng nồng độ dòng vào của amoni và nitrit lên, và sau một thời gian thì giảm thời gian lưu xuống [7].

Trong quá trình nuôi cấy ở thiết bị USFF, giai đoạn khởi đầu trong thiết bị phản ứng USFF cũng giống với UASB. Còn trong phương pháp tạo hạt và nuôi cấy, ở ASBR giống với USFF. Môi trường kỵ khí được giữ bằng cách thổi Ar để đuổi hết oxi tự do trong suốt quá trình thí nghiệm. Trong thời gian khởi động, thiết bị ASBR làm việc theo chu kỳ 24h. Mỗi chu kỳ gồm 3 giai đoạn: đầu tiên (23h), thiết bị phản ứng được đưa vào chất thải tổng hợp và phản ứng được diễn ra. Trong giai đoạn 2 (0,5h), đầu vào và nguồn cung cấp khí Ar được dừng lại và bùn được phép cho lắng xuống. Ở giai đoạn thứ 3, phần nổi ở phía trên được bơm ra ngoài. Mô hình giai đoạn khởi động của ASBR tương tự với mô hình được kế thừa trong thiết bị phản ứng USFF. Khi dòng vào có nồng độ amoni và nitrit tăng lên, thời gian lưu được thay đổi bằng cách thay đổi thể tích đầu vào trong mỗi chu kỳ [8].