2.4. Cơ sở lý thuyết về nitơ và các hợp chất nitơ
2.4.2. Sự tác động của các vi sinh vật và ảnh hưởng của nó với hợp chất nitơ
2.4.2.1. Sự tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên nhờ vi sinh vật
Vi sinh vật tham gia khép kín chu trình tuần hoàn của nguyên tố nitơ trong tự nhiên. Các vi sinh vật amon hoá sẽ phân huỷ các hợp chất nitơ hữu cơ tạo ra N-NH4, CO2 và H2O. Hợp chất N-NH4 này lại bị các vi sinh vật nitrate hoá biến thành N2, nitơ phân tử lại được vi sinh vật cố định đạm tạo thành N-NH4. Các muối nitơ, N-NH4, N-NO3 do vi sinh vật tạo ra sẽ là nguồn nitơ cho thực vật và vi sinh vật sử dụng tạo thành các hợp chất nitơ hữu cơ, chu trình nitơ được khép kín.
2.4.2.2. Quá trình nitrat hóa (Nitrification) [3]
Amonium sinh ra có thể được một nhóm vi sinh vật oxy hoá để hình thành acid nitrite, qua giai đoạn acid nitơ, quá trình này là quá trình nitrat hóa.
Chính Vinogradski đã khám phá ra cơ chế của quá trình này và phân lập ra các vi sinh vật, theo ông đó là những vi khuẩn thuộc 3 giống: Nitrosomonas,
Hình 2.1: Chu trình nitơ trong tự nhiên
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 25 Nitrisocytis và Nitrosospora. Năm 1889, Vinogradski chứng minh quá trình nitrate hoá NH3 xảy ra theo ra theo hai pha:
- Pha thứ nhất sinh nhiều năng lượng:
2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 658 Kj dưới tác động của hệ enzyme của Nitrosomonas - Pha thứ hai xảy ra chậm chạp hơn:
2HNO2 + O2 2HNO3 + 180Kj
dưới sự tác động của vi khuẩn Nitrobacter
Hai loại Nitrosomonas và Nitrobacter thường sống chung và hỗ trợ lẫn nhau ở trong đất, vì nồng độ amoni cao trong môi trường kiềm có hại cho Nitrobacter, nhưng nhờ Nitrosomonas sử dụng amoni và biến nó thành axit (tức là chuyển cation thành anion), bằng cách đó đã tạo điều kiện tốt cho sự phát triển của Nitrobacter.
Người ta dùng những phản ứng đặc trưng để nhận biết acid nitơ và acid nitrite, từ đó mà biết được sự có mặt của Nitrosomonas hay Nitrobacter.
Quá trình nitrate hóa rất quan trọng đối với nông nghiệp, vì nó biến muối amôn thành nitrate, hợp chất nitơ thích hợp nhất đối với cây xanh. Những vi khuẩn nitrate hoá rất mẫn cảm với pH acid của môi trường, chúng phát triển trong giới hạn pH từ 6,2 – 9,2. Hàng năm vi khuẩn nitrate hoá tích luỹ được khoảng 300 kg nitrate trên mỗi ha đất, thường gặp chúng trong mọi loại đất, trừ miền đất chứa pH dưới 6,0.
Vi khuẩn nitrate hóa có mặt hầu hết trong các công trình sinh học hiếu khí nhưng số lượng bị hạn chế. Khả năng nitrate hóa của các quá trình bùn hoạt tính khác nhau tùy thuộc vào tỉ số BOD5/TKN (TKN: Total Kjeldahl nitrogen). Theo U.S.EPA: khi tỉ số BOD5/TKN > 5 thì quá trình oxy hóa carbon và nitrate kết hợp, BOD5/TKN < 3 hai quá trình oxy hóa carbon và nitrate hóa được tách riêng.
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 26 2.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa [2]
• Oxy hòa tan (DO)
Aûnh hưởng DO lên quá trình nitrate hóa khác nhau được báo cáo từ các nghiên cứu khác nhau của Downing và Scragg (1958) cho thấy: nồng độ DO cần thiết cho quá trình nitrate hóa xảy ra ít nhất là 0,3 mg/l. Schoberl và Angel nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (1964): tốc độ nitrate hóa đối với Nitrosomonas không phụ thuộc vào DO nếu DO trên 1 mg/l và đối với Nitrobacter nồng độ DO > 2 mg/l.
• pH
Một số nghiên cứu quan sát cho thấy rằng tốc độ nitrate hóa cực đại khi pH nằm trong khoảng từ 7,2 – 9,0. Angel và Alexander (1958) và Downing (1964) cho thấy ít có sự ảnh hưởng khi pH trong khoảng từ 7,2 – 8,0 và tốc độ nitrate hóa giảm tuyến tính khi pH < 7,2.
• Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng lên tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrate hóa. Tốc độ nitrate hóa giảm với sự suy giảm nhiệt độ. Focht và Chang (1975); Paiter (1970): nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrate hóa trong khoảng 30oC – 36oC, nhưng chúng có thể phát triển ở 4oC - 50oC.
Nhiệt độ ảnh hưởng lên thời gian lưu bùn (SRT). Khi nhiệt độ giảm thì SRT phải đủ lâu để vi khuẩn nitrate hóa phát triển ổn định, vì chúng rất nhạy cảm với nhiệt độ.
• Nồng độ amonium và nitrite
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 27 Turk và Mavinic (1986) cho thấy nồng độ khí amonia hòa tan trong khoảng từ 0 – 1 mg/l thì sự oxy hóa nitrite bị ức chế, quá trình oxy hóa amonium bị ức chế khi nồng độ khí amonia từ 5 – 20 mg/l.
SVTH : Mai Nguyeón Quyứnh Nhử 28
• Chất độc hại
Skinner và Walker (1961) cho thấy các kim loại nặng với nồng độ gây độc cho loài Nitrosomonas được tìm thấy như: Niekel = 0,25 mg/l, Crom = 0,25 mg/l, Đồng từ 0,1 – 0,5 mg/l. Beckman et, al (1972) cho thấy 100% loài Nitrosomonas bị ức chế đối với nồng độ Niekel và Kẽm là 3 mg/l. Loveless và Paiter (1968) cho thấy loài Nitrosomonas bị ức chế hoàn toàn với nồng độ Đồng là 0,1 mg/l.
Paiter (1970) cho thấy các tác nhân ức chế như Thioure, Allyl-thioure, 8- hydroxyquinoline, Salicyladotime và Histidine gây độc cho loài Nitrosomonas.
Pepton làm giảm tốc độ sinh trưởng của loài Nitrosomonas 25% ở nồng độ 1 mg/l và giảm 60% ở nồng độ 10 mg/l.
• Thời gian lưu bùn (SRT)
Thời gian lưu bùn đủ lâu để đảm bảo cho vi khuẩn nitrate hóa phát triển ổn định.
Thời gian lưu bùn rất quan trọng đối với nước thải chứa các hợp chất độc hại. SRT đủ lâu để cho vi khuẩn thích nghi dần với các chất độc hại. Theo Bridle và cộng sự cho thấy đối với một số nước thải công nghiệp chứa các hợp chất độc hại SRT > 160 ngày thì hiệu quả khử nitrate đạt trên 90%. Thời gian lưu bùn ảnh hưởng tới nhu cầu oxy mà loài vi khuẩn nitrate hóa nhạy cảm với yếu tố này.