Người viết bài: Lê Phương Chung

Loại bỏ NH₄⁺ là khâu xử lý quan trọng trong các quy trình xử lý nước thải, được quan tâm nghiên cứu về nhiều phương diện, bao gồm việc ứng dụng các cơ chế vật lý, hóa học, sinh học cũng như yếu tố công nghệ như thiết bị, điều kiện vận hành xử lý. Các biện pháp sinh học ứng dụng trong xử lý ô nhiễm, trong đó có việc loại bỏ NH₄⁺ từ nước thải, luôn được xem là mang lại hiệu quả tối ưu nhất bởi tính thân thiện môi trường, có chi phí thấp và hiệu quả bền vững.

Hình 1. Quá trình phú dưỡng (Eutrophication) trong các thủy vực   [Galloway et al., 2008]                          

Theo cách truyền thống, amoni trong nước thải được loại bỏ bằng hai bước (i) nitrate hóa (hiếu khí, hóa tự dưỡng) và (ii) khử nitrate (kỵ khí, hóa dị dưỡng). Quy trình này được áp dụng sau khi nước thải đã được loại bỏ carbon hữu cơ (thường thông qua các quá trình lên men kỵ khí sinh methane) để tạo điều kiện cho các vi khuẩn nitrate hóa sinh trưởng, giảm cạnh tranh bới các VSV hiếu khí dị dưỡng. Tuy nhiên, ở bước tiếp theo, VSV lại cần sử dụng carbon hữu cơ để khử nitrate, và trong thực tế nhu cầu này thường được đáp ứng bằng cách bổ sung methanol, do vậy làm tăng chi phí vận hành. Một cách tiếp cận khác để xử lý NH₄⁺ được đưa vào ứng dụng thực tế trong vài thập niên trở lại đây là công nghệ nitrite hóa bán phần kết hợp với anammox. Công nghệ này cũng gồm hai bước, (i) trước hết một nửa NH₄⁺ được oxy hóa thành NO₂^- nhờ vi khuẩn oxy hóa NH₄⁺ (hiếu khí, tự dưỡng), và (ii) sau đó nửa NH₄⁺ còn lại được oxy hóa bằng NO₂^- thành N₂ nhờ một số loài Planctomycetes (kỵ khí). Công nghệ này giúp giảm tới 60% chi phí năng lượng cho việc cấp oxy trong bước nitrate hóa, tuy nhiên đòi hỏi quy trình vận hành có độ chính xác cao để đảm bảo tỷ lệ các thành phần NH₄⁺ và NO₂^- ở mức phù hợp cho phản ứng anammox diễn ra sau đó. Các công nghệ xử lý NH₄⁺ hiện hành nêu trên có hiệu quả xử lý tốt, tuy nhiên có nhu cầu về năng lượng lớn khi thực hiện nitrate/nitrite hóa và đòi hỏi tính ổn định cao của nước thải, cũng như tính chính xác trong quy trình vận hành, là những trở ngại khi triển khai thực tế. Do đó, việc nghiên cứu phát triển các quy trình công nghệ mới giúp giảm sự phụ thuộc vào oxy và thích hợp cho nhiều loại nước thải vẫn là vấn đề hấp dẫn các nhà khoa học.

Hình 2. Chu trình nitơ cập nhật với sự có mặt của Anammox và Feammox [Melany, 2014]

Trong thập kỷ gần đây, một con đường trao đổi chất mới ở VSV là oxy hóa NH₄⁺ kết hợp với khử Fe³⁺ trong điều kiện không có oxy, gọi tắt là feammox, đã được phát hiện và được chứng minh là đóng vai trò quan trọng trong chu trình chuyển hóa nitơ, góp phần đáng kể vào việc hoàn trả khí N₂ vào khí quyển. Quá trình feammox cũng bắt đầu được quan tâm nghiên cứu để đưa vào ứng dụng cho xử lý NH₄⁺ trong nước thải ít tiêu tốn năng lượng trong quy trình xử lý. Tuy nhiên, cho đến nay các kết quả nghiên cứu đã công bố về quy trình công nghệ xử lý NH₄⁺ theo cơ chế feammox cũng như các VSV tham gia còn hạn chế và chưa có sự thống nhất. Do vậy feammox và các VSV có khả năng thực hiện hình thức dinh dưỡng này là đối tượng lý thú cho nghiên cứu cơ bản, cũng như nghiên cứu ứng dụng. Hiểu biết về các VSV feammox và các đặc tính sinh lý của chúng là cơ sở để phát triển các công nghệ xử lý mới để loại bỏ nitơ trong nước thải.

Trong thời gian qua, NCS. Lê Phương Chung (Viện Công nghệ sinh học và Môi trường, Trường ĐH Nha Trang) đã thực hiện nghiên cứu về vi sinh vật học của quá trình feammox và bước đầu ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm amoni với mục tiêu tìm hiểu về quá trình feammox trong mô hình xử lý nước thải có hàm lượng NH₄⁺ cao và xác định các VSV tham gia để làm cơ sở phát triển công nghệ.

Hình 3. Mô hình nghiên cứu quá trình fe ammox của NCS. Lê Phương Chung 

(Quá trình sục khí argon và bơm tuần hoàn nước thải trong mô hình)

Nghiên cứu đã thu được một số kết quả khoa học mới công bố lần đầu tiên, trong đó nổi bật là đã thiết lập được hệ VSV feammox trong mô hình phòng thí nghiệm ở điều kiện dị dưỡng và pH trung tính, cho phép chuyển hóa hoàn toàn NH₄⁺ thành N₂; hệ VSV được hình thành ở điều kiện này do vi khuẩn thuộc lớp g-Proteobacteria (gồm nhiều loài vi khuẩn kỵ khí tùy tiện khử Fe³⁺) chiếm ưu thế. Carbon hữu cơ được xác định đóng vai trò quan trọng trong quá trình feammox ở điều kiện thí nghiệm; tỷ lệ [COD]/[NH₄⁺] = 1,4 là thích hợp nhất để quá trình chuyển hóa NH₄⁺ thành N₂ diễn ra ổn định. Xử lý đồng thời NH₄⁺ và COD trong mô hình theo tỷ lệ trên ở chế độ vận hành liên tục với lưu lượng thải là 3 L/ngày, thời gian lưu 6 ngày đạt hiệu quả loại bỏ NH₄⁺ và COD tương ứng là ~ 91% và 60%.

Kêt quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí uy tín quốc tế Scientific Reports (https://doi.org/10.1038/s41598-020-80057-y) và 1 bài báo trên tạp chí Công nghệ sinh học Việt Nam (https://doi.org/10.15625/1811-4989/16333).

Nghiên cứu này đã mở ra khả năng áp dụng nguyên lý feammox để xử lý nước thải nhiễm NH₄⁺ và COD ở pH trung tính, phù hợp với nhiều loại nước thải trong thực tế. NH₄⁺ được oxy hóa hoàn toàn thành N₂ trong một bước phản ứng, giúp đơn giản về quy trình công nghệ và giảm tiêu tốn năng lượng, khắc phục những hạn chế của công nghệ nitrate hóa - khử nitrate và nitrite hóa bán phần - anammox hiện hành.

Hình 4. NCS Lê Phương Chung và nhóm nghiên cứu trong buổi bảo vệ Luận án

Tham khảo

• Galloway J.N., Townsend A.R., Erisman J.W., Bekunda M., Cai Z., Freney J.R., Martinelli L.A., Seitzinger S.P., Sutton M.A. (2008), "Transformation of the nitrogen cycle: Recent trends, questions, and potential solutions", Science 320 (5878), pp. 889−892
• Melany P.R.U. (2014), Characterizing the microbially mediated feammox process: Temperature effect and electron acceptors, Master thesis, Princeton University, New Jersey.