Tìm hiểu quá trình anammox khi xử lý amoni trong nước thải

Quá trình anammox là công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, ứng dụng phổ biến giúp tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính và tối ưu hóa chi phí vận hành. Bài viết sau của Môi Trường Song Phụng giúp bạn hiểu rõ cơ chế hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng và lợi ích nổi bật của công nghệ anammox trong ngành xử lý nước thải.

Anammox trong xử lý nước thải là gì?

Quá trình Anammox là viết tắt của Anaerobic Ammonium Oxidation (Oxi hóa amoni kỵ khí), đây là một quá trình vi sinh vật đặc biệt, nơi amoni (NH₄⁺) được oxy hóa thành khí nitơ (N₂) trong điều kiện thiếu oxy. Quá trình này được thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn đặc biệt gọi là vi khuẩn Anammox.

Quá trình này được xem là một phát hiện mang tính đột phá trong lĩnh vực xử lý nước thải vì nó giúp loại bỏ amoni hiệu quả mà không cần sự tham gia của các vi khuẩn hiếu khí truyền thống. 

Phương pháp Anammox trong xử lý nước thải được công nhận là hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng và có thời gian xử lý ngắn. Chính vì vậy, công nghệ này ngày càng được ưa chuộng và áp dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải, đặc biệt là đối với các nguồn nước thải có hàm lượng cacbon hữu cơ thấp.

>>> Tìm hiểu: Nguyên nhân và các giải pháp để xử lý nước thải xà phòng

Cơ chế hoạt động của quá trình anammox

Quá trình Anammox là một quá trình trực tiếp, trong đó amoni được oxy hóa thành khí nitơ thông qua nitrit, và diễn ra trong điều kiện kỵ khí, nghĩa là không có sự có mặt của oxy tự do. Vi khuẩn Anammox sử dụng nitrit làm chất nhận electron để oxi hóa amoni. Quá trình này được thực hiện bởi một nhóm vi khuẩn đặc biệt gọi là vi khuẩn Anammox.

Quá trình Anammox diễn ra qua hai giai đoạn chính:

Giai đoạn 1:  Nitrate hóa bán phần

• Mục đích: Giai đoạn này nhằm mục đích chuyển đổi một phần amoni thành nitrit.
• Phản ứng: NH₄⁺ + 1,5 O₂ + 2 HCO₃⁻ → NO₂⁻ + 2CO₂ + 3H₂O
• Phản ứng này sẽ tạo ra nitrit, một trong những chất phản ứng chính trong giai đoạn tiếp theo.

Giai đoạn 2: Quá trình Anammox

• Điều kiện: Diễn ra trong điều kiện kỵ khí, không có sự tham gia của oxy tự do.
• Phản ứng: NH₄⁺ + 1.32 NO₂⁻ → 1.02 N₂ + 0.26 NO₃⁻ + 1.86 H₂O
• Cơ chế: Vi khuẩn Anammox sử dụng các enzyme đặc biệt để oxi hóa amoni và nitrit, trực tiếp chuyển hóa chúng thành khí nitơ và một lượng nhỏ nitrate.

Điểm nổi bật của anammox là không cần oxy hoặc carbon hữu cơ, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí. Tuy tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn anammox chậm, nhưng khi ổn định, quá trình này đạt hiệu suất cao trong xử lý ammonium.

Các yếu tố làm ảnh hưởng đến quá trình anammox

TAN, TNO2, NO3

TAN và TNO2

Tỷ lệ giữa ammonium (NH4+) và nitrite (NO2-) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất của quá trình anammox. Tỷ lệ lý tưởng thường là khoảng 1:1,32 theo phản ứng hóa học lý thuyết. Nếu tỷ lệ không cân bằng (thiếu NH4+ hoặc NO2-), quá trình có thể bị giảm hiệu suất hoặc dừng lại hoàn toàn.

Nồng độ nitrate (NO3-) 

Nitrate là sản phẩm phụ của quá trình anammox, và nồng độ cao của nó có thể ức chế hoạt động của vi khuẩn. Do đó, cần kiểm soát lượng NO3- để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất xử lý.

DO – Nồng độ hòa tan

Quá trình anammox yêu cầu điều kiện kỵ khí, nên nồng độ oxy hòa tan (DO) phải duy trì ở mức rất thấp, thường dưới 0,5 mg/L. Nếu DO vượt ngưỡng này, vi khuẩn anammox có thể bị ức chế, do oxy thúc đẩy sự cạnh tranh từ các vi khuẩn hiếu khí khác, như vi khuẩn nitrat hóa, làm giảm hiệu quả xử lý ammonium.

Việc kiểm soát DO trong hệ thống là yếu tố then chốt để đảm bảo môi trường phù hợp cho vi khuẩn anammox hoạt động ổn định và hiệu quả.

Phosphate

Phosphate là một chất dinh dưỡng quan trọng đối với vi khuẩn anammox, nhưng nếu nồng độ của nó không phù hợp thì có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xử lý nước thải. Nồng độ phosphate quá cao hoặc quá thấp đều có thể làm giảm hoạt tính của vi khuẩn anammox.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, mỗi chủng vi khuẩn anammox có khả năng chịu đựng nồng độ phosphate khác nhau. Ví dụ, Candidatus Brocadia anammoxidans nhạy cảm hơn với phosphate so với Candidatus Kuenenia stuttgartiensis.

• Candidatus Brocadia anammoxidans sẽ có sự suy giảm hoạt tính rõ rệt khi nồng độ phosphate vượt quá 155 mg PO₄³⁻/L.
• Candidatus Kuenenia stuttgartiensis có thể chịu đựng nồng độ phosphate cao lên đến 620 mg PO₄³⁻/L mà không thấy có sự ức chế đáng kể.

Tuy nhiên, một số nghiên cứu theo mẻ sử dụng hệ bùn cao tải đã chỉ ra rằng nồng độ phosphate vẫn có tác động đến hoạt động của các vi khuẩn Anammox, bao gồm cả Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. 

• Nồng độ phosphate đạt 55 mg PO₄³⁻/L thì hoạt tính của vi khuẩn Anammox giảm xuống còn 63% so với điều kiện bình thường. 
• Nồng độ tăng lên 110 mg PO₄³⁻/L thì hoạt tính giảm mạnh, chỉ còn 20%
• Nồng độ phosphate lên đến 285 mg PO₄³⁻/L, hoạt tính của hệ vi khuẩn này giảm tới 80%.

>>> Tham khảo: Chi tiết quy trình xử lý nước thải nhà máy sữa​

Nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng của quá trình anammox. Quá trình này hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng nhiệt độ từ 25°C đến 35°C. Nếu nhiệt độ quá thấp, hoạt động của vi khuẩn anammox sẽ giảm, dẫn đến hiệu suất xử lý kém. 

Ngược lại, nếu nhiệt độ quá cao, vi khuẩn có thể bị sốc nhiệt hoặc chết, làm gián đoạn quá trình xử lý. Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong phạm vi lý tưởng là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả của quá trình anammox.

Độ pH

Quá trình anammox hoạt động tốt nhất trong phạm vi pH từ 7,0 đến 8,5. Nếu pH quá thấp (acidic) hoặc quá cao (kiềm), sự hoạt động của vi khuẩn anammox sẽ bị ảnh hưởng, giảm khả năng chuyển hóa ammonium và nitrite thành nitrogen gas. 

Việc duy trì pH trong khoảng lý tưởng giúp tối ưu hóa hoạt động của vi khuẩn và đảm bảo hiệu quả xử lý nước thải.

Nồng độ sinh khối

Nồng độ sinh khối là một thuật ngữ dùng để chỉ số lượng sinh vật sống có trong một đơn vị thể tích môi trường. Trong lĩnh vực xử lý nước thải, đặc biệt là quá trình anammox, nồng độ sinh khối thường được đo để đánh giá sự phát triển của quần thể vi khuẩn anammox và hiệu quả của quá trình xử lý.

Hệ vi khuẩn anammox hoạt động hiệu quả và ổn định khi nồng độ tế bào trên 1010-1011 tế bào/ml. Nghĩa là trong 1 ml nước thải, cần có từ 10 tỷ đến 100 tỷ tế bào vi khuẩn anammox.

Những yếu tố khác

Những yếu tố dưới đây cũng ảnh hưởng đến quá trình anammox:

• Chất hữu cơ: Nếu có quá nhiều chất hữu cơ trong nước thải, nó có thể gây ra sự cạnh tranh với các vi khuẩn anammox, đặc biệt là đối với các vi khuẩn nitrat hóa hiếu khí, làm giảm hiệu quả xử lý.
• Tốc độ dòng chảy: Nếu dòng chảy quá nhanh, thời gian tiếp xúc giữa vi khuẩn và các chất ô nhiễm sẽ không đủ lâu, khiến quá trình xử lý không hiệu quả. Ngược lại, nếu tốc độ dòng chảy quá chậm, hệ thống có thể bị tắc nghẽn hoặc mất cân bằng sinh học.
• Chất độc: Các chất độc hại như kim loại nặng, thuốc trừ sâu hoặc hóa chất công nghiệp có thể ức chế hoặc tiêu diệt vi khuẩn anammox, làm giảm hiệu quả xử lý. Việc giám sát và loại bỏ các chất độc này là rất quan trọng để duy trì sự ổn định của quá trình.

Ứng dụng của công nghệ anammox trong thực tế

Công nghệ anammox có ứng dụng trong thực tế như sau:

Xử lý nước thải đến từ công nghiệp và đô thị

Anammox giúp loại bỏ amoni trong nước thải mà không cần oxy, tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp và khu đô thị lớn, nơi nồng độ amoni thường cao.

Xử lý nước thải từ chăn nuôi

Các trang trại chăn nuôi có lượng nước thải chứa amoni lớn. Công nghệ anammox giúp giảm ô nhiễm nitrogen, bảo vệ môi trường và tối ưu hóa chi phí xử lý nước thải.

Giảm phát thải khí nhà kính

Anammox giúp giảm phát thải khí N2O (nitrous oxide), một khí nhà kính mạnh, do không sử dụng quá trình nitrification-denitrification truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường.

Quá trình Anammox mang lại hiệu quả cao trong việc loại bỏ amoni, giảm chi phí năng lượng và hạn chế phát thải. Với tiềm năng ứng dụng rộng rãi, công nghệ này không chỉ giải quyết các vấn đề môi trường cấp bách mà còn góp phần xây dựng một tương lai bền vững. Nếu bạn đang tìm kiếm đơn vị lắp đặt hệ thống xử lý nước hiệu quả hãy liên hệ ngay với Môi Trường Song Phụng để được hỗ trợ nhanh nhất.

>>> Dịch vụ dành cho bạn:

• Dịch vụ sửa chữa bơm màng khí nén đảm bảo cho hệ thống hoạt động trơn tru
• Dịch vụ lắp đặt hệ thống châm hóa chất tại Môi Trường Song Phụng