1. Giới thiệu về vi khuẩn 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.

NH4+ + 1,3 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ → 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0.066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O

Hình 1: 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.

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.

Hình 2: Vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia (John Fuerst/Rick Webb)

2. 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 43oC. 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 37oC.

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.

2.1. Đặc điểm và sự tồn tại của vi khuẩn Anammox trong tự nhiên

Hiện nay, đã có 5 chi và 13 loài vi khuẩn Anammox được phát hiện từ các nguồn khác nhau [4]. Danh sách các loài vi khuẩn Anammox đã phát hiện được đưa ra tại bảng 1.

Bảng 1: Danh sách các vi khuẩn Anammox được phát hiện

Về mặt phân loại, các vi khuẩn Anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctomycetales [4]. Cây phát sinh loài của bộ Planctomycetales được đưa ra ở hình 3.

Hình 3: Cây phát sinh loài của bộ Planctomycetales

Vi khuẩn Anammox đặc trưng bởi sinh khối màu đỏ nâu, tỉ lệ tăng trưởng riêng cực đại rất thấp (µ=0,00648/ngày), thời gian nhân đôi là 10,6 ngày và sinh khối tạo thành ít (0,11÷0,13g VSS/g NH4+-N). Vi khuẩn Anammox phát triển tốt ở nhiệt độ 22÷43ᴼC, pH khoảng 6,4÷8,3. Hoạt tính của Anammox bị ức chế hoàn toàn ở nồng độ oxi trên 0,5% không khí bão hòa.

2.2. Tồn tại của vi khuẩn Anammox trong tự nhiên

Vi khuẩn Anammox được phát hiện đầu tiên trong hệ sinh thái tự nhiên ở vùng nước nghèo oxi ở biển đen. Sau đó, chúng được tìm thấy trong một vài hệ thống xử lý nước thải, trong trầm tích biển trên khắp thế giới (Gullmarsfjorden ở Sweden, Skagerrak ở Biển Bắc, Colne Estuary National Nature Reserve ở Vương Quốc Anh, Greenland Arctic Sea, Mertz Sea ở Antarctica, Benguela OMZ ở Namibia, Chesapeake Bay ở Mỹ) hoặc trong các môi trường thiếu khí (Biển Đen và Golfo Dulce, Costa Rica). Sự có mặt của vi khuẩn Anammox được xác định trong hơn 30 loại nước ngọt tự nhiên và hệ sinh thái biển trên thế giới. Trong trầm tích với hàm lượng cacbon thấp, Anammox đóng góp hình thành khoảng 20-79% tổng sản phẩm nitơ.

3. Nuôi cấy làm giàu vi khuẩn anammox

3.1 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.

Điều kiện nuôi cấy ở 37oC 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.

3.2. 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.

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.

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.

4. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự phát triển của vi khuẩn Anammox

4.1. Ảnh hưởng của pH

Theo kết quả nghiên cứu của Strous và cộng sự, vi khuẩn Anammox phát triển tối ưu ở giá trị pH trong khoảng 6,7-8,3. Egli và cộng sự cũng quan sát hoạt động của vi khuẩn Anammox ở khoảng pH giữa 6,5 và 9 trong hệ thống bể tiếp xúc đĩa xoay xử lý nước rỉ rác và thấy rằng giá trị pH tối ưu để anammox phát triển là 8 ở nhiệt độ 37 0C. Ở pH thấp, nồng độ FA giảm và nồng độ FNA tăng còn pH cao làm tăng nồng độ FA nhưng làm giảm nồng độ FNA. Vi khuẩn Anammox dễ bị tổn thương khi nồng độ FA hoặc FNA cao.

4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Vi khuẩn Anammox phát triển tối ưu trong khoảng nhiệt độ 30÷400C. Ở nhiệt độ 450C, hoạt động của vi khuẩn Anammox bị suy giảm không thể phục hồi do sự tiêu giảm sinh khối. Ở nhiệt độ thấp, hoạt động của vi khuẩn Anammox sẽ bị ức chế. Theo nghiên cứu của Dosta và cộng sự, hệ thống Anammox có thể vận hành thành công ở nhiệt độ 180C. Ngoài ra, Cema và cộng sự đã nghiên cứu thành công quá trình phân tích nước thải Anammox ở nhiệt độ 20 0C. Vi khuẩn Anammox cũng có thể chịu đựng được nhiệt độ thấp nhờ khả năng thích nghi. Trong các hệ thống tự nhiên, vi khuẩn Anammox có khả năng chịu được nhiệt độ cao (khoảng -2÷850C).

Hơn thế nữa, nhiệt độ còn ảnh hưởng tới nồng độ FA và FNA trong nước thải. Do đó, kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng trong quá trình vận hành hệ thống Anammox.

4.3. Ảnh hưởng của DO

DO là thông số quan trọng trong quá trình vận hành hệ thống làm giàu vi khuẩn Anammox. Khi giá trị DO ở mức thấp (DO<2% không khí bão hòa), vi khuẩn Anammox bị ức chế nhưng có thể phục hồi. Theo kết quả nghiên cứu của Egli và cộng sự, hoạt tính của vi khuẩn Anammox có thể phục hồi ở nồng độ Oxy thấp (<1% không khí bão hòa) nhưng không thể phục hồi ở nồng độ Oxy cao (>18% không khí bão hòa). Như vậy, DO cần được kiểm soát nghiêm ngặt trong hệ thống Anammox để ngăn chặn tác động có hại tới quá trình.

4.4. Ảnh hưởng của amoni

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình Anammox không bị ức chế bởi nồng độ amôni lên tới 1g N/l. Tuy nhiên, cũng có nghiên cứu cho rằng nồng độ amoni cao sẽ ức chế sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Anammox. Dapena-Mora và cộng sự kết luận rằng hoạt động của hệ vi khuẩn giảm 50% ở nồng độ amoni 770mg/l.

Tuy nhiên, bản chất của sự ức chế này là do khi hàm lượng amoni cao sẽ làm tăng hàm lượng FA mà FA là chất ức chế sự phát triển của Anammox. Đây là vấn đề hiện đang được quan tâm nghiên cứu trong quá trình phân hủy kỵ khí và quá trình Nitrat hóa. Fernandez và cộng sự xem xét tác động ngắn hạn của amoni và đưa ra kết luận hoạt động của vi khuẩn Anammox giảm 50% ở nồng độ FA là 38 mg/l. Về tác động dài hạn thực hiện trong bể SBR, hiệu suất không ổn định khi nồng độ FA vượt quá 25mg/l. Hiệu suất quá trình trở nên rất bất ổn khi nồng độ FA cao hơn 40 mg/l và hiệu quả xử lý giảm về không.

Để duy trì hệ thống Anammox hoạt động một cách ổn định, cần duy trì nồng độ FA ở mức dưới 25 mg/l. Waki và các cộng sự cũng đưa ra kết luận rằng nồng độ FA trong khoảng 13-90 mg/l có thể gây độc đối với hệ vi khuẩn Anammox. Trong một nghiên cứu khác với phản ứng màng sinh học, Tang và các cộng sự đã chỉ ra rằng nồng độ FA từ 57-187 mg/l gây ra hiện tượng ức chế hoạt động vi khuẩn Anammox. Khi nồng độ NH4+-N còn lại tăng lên kèm theo pH cao trên 8,7 dẫn đến nồng độ FA cao.

Amoni không thể dễ dàng khuếch tán qua lớp màng lỏng của tế bào vi khuẩn, nhưng FA có thể dễ dàng khuếch tán xuyên qua lớp màng tế bào. Trong dung dịch tồn tại cân bằng phản ứng sau:

NH4+ + OH- = NH3 + H2O

Khi hàm lượng amoni tăng sẽ làm tăng pH. pH có thể ảnh hưởng tới cân bằng phản ứng và nồng độ NH3/NH4+. Ở giá trị pH cao cân bằng chuyển dịch theo hướng tạo FA. Khi pH nội bào và ngoại bào khác nhau, nồng độ FA bên trong và bên ngoài tế bào cũng sẽ khác nhau. Chênh lệch nồng độ sẽ định hướng cho sự khuếch tán FA qua lớp màng tế bào.

Khi pH ngoại bào cao hơn pH nội bào, FA sẽ dễ dàng đi vào tế bào. Rất nhiều nghiên cứu quan tâm tới FA hơn là amôni, coi đó là chất nền cho vi sinh vật và chất ức chế Anammox, FA trong tế bào sẽ làm thay đổi pH nội bào, phân tích nước thải cơ chế trao đổi chất và thế năng xuyên màng tế bào, trường hợp xấu nhất có thể làm chết tế bào. Do đó, pH nên được kiểm soát cẩn thận trong suốt quá trình vận hành hệ thống Anammox. Giá trị pH tối ưu cho quá trình Anammox là giữa 7 và 8,5.

Các nghiên cứu trên cho thấy vi khuẩn Anammox không chỉ có khả năng chịu đựng mà còn có thể thích nghi dần với sự tồn tại của FA. Vi khuẩn Anammox có thể chịu được nồng độ cao amôni. Tuy nhiên nồng độ cao hơn nhiều so với ngưỡng ức chế sẽ gây hại cho quá trình Anammox.

4.5. Ảnh hưởng của nitrit

Nitrit là chất nền của quá trình Anammox nên nó ảnh hưởng lớn tới sự phát triển của vi khuẩn Anammox. Khi nồng độ nitrit cao hơn ngưỡng nhất định sẽ ức chế sự phát triển của vi khuẩn Anammox. Ngưỡng ức chế của nitrit thấp hơn so với amoni. Nói cách khác, vi khuẩn Anammox nhạy cảm với nitrit hơn so với amoni. Một vài nghiên cứu khác cũng xác nhận rằng, ở những điều kiện thực nghiệm nhất định, nồng độ nitrit quá cao gây ảnh hưởng tiêu cực tới tính ổn định của quá trình Anammox. Tuy nhiên, các nghiên cứu lại không thống nhất được ngưỡng ức chế của nitrit và đưa ra khoảng giá trị khá rộng là 5÷280 mg/l. Ngược lại, nồng độ nitrit thấp hầu như không gây hại cho vi khuẩn Anammox.

Theo kết nghiên cứu của Egle và cộng sự, vi khuẩn Anammox bị ức chế hoàn toàn với nồng độ nitrit cao hơn 185 mg/l khi cố định nồng độ amoni ở mức 42 mg N/l. Theo Dapena-Mora và các cộng sự, hoạt động của vi khuẩn Anammox giảm 50% khi nồng độ nitrit lên đến 350 mg/l. Các nghiên cứu của Strous và cộng sự đưa ra kết quả khác biệt một cách rõ ràng so với các nghiên cứu của Egli và các cộng sự.

Điều này có thể được lý giải là do sự khác nhau về điều kiện thực nghiệm (ví dụ như Egli cố định nồng độ amôni). Quá trình Anammox không ổn định khi nồng độ nitrit cao hơn 140 mg/l và bị ức chế hoàn toàn khi nồng độ nitrit cao hơn 280 mg/l. Hoạt động của vi khuẩn Anammox hoàn toàn mất đi khi tiếp xúc với nồng độ nitrit cao trong thời gian dài (12h). Isaka và cộng sự cũng kết luận rằng nồng độ nitrit cao hơn 280 mg/l sẽ gây ức chế hoạt động của vi khuẩn Anamox và nồng độ nitrit dưới 280 mg/l được cho là phù hợp quá trình Anammox.

Sự khác nhau trong các kết quả nghiên cứu có thể do sự khác biệt về đặc tính sinh khối, loài vi sinh vật Anammox và điều kiện vận hành (nhiệt độ, chất lượng nước, cấu tạo bể phản ứng, tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật, pH). Nhìn chung, nồng độ nitrit đầu vào trên 280 mg/l được coi là giá trị cảnh báo và hàm lượng nitrit dưới 100 mg/l được coi như giá trị an toàn cho sự sinh trưởng của vi khuẩn Anammox.

Thực chất ảnh hưởng của nitrit lên quá trình Anammox không xuất phát từ nitrit (NO2-) mà do axit Nitrơ ( Free Nitrous Acid – FNA – HNO2). Trong môi trường dung dịch tồn tại cân bằng hóa học sau:

HNO2 = NO2- + H+ [8]

Khi hàm lượng nitrit tăng cao, hàm lượng axit nitrơ sẽ tăng và gây ức chế đối với sự phát triển của vi khuẩn Anammox.

4.6. Ảnh hưởng của các chất hữu cơ không độc

Ảnh hưởng của các chất hữu không cơ độc hại lên quá trình Anammox tùy thuộc vào nồng độ của các chất đó. Nồng độ các chất hữu cơ này cao sẽ ức chế hoạt động Anammox. Ngược lại, với nồng độ thấp lại không có tác động tiêu cực đáng kể và thậm chí thúc đẩy các phản ứng sinh học.

Nhìn chung, các chất hữu cơ không độc tác động lên vi khuẩn Anammox theo hai cơ chế:

- Cơ chế thứ nhất: vi khuẩn dị dưỡng cạnh tranh với vi khuẩn Anammox tự dưỡng để tồn tại trong hệ thống Anammox. Do vi khuẩn dị dưỡng sinh trưởng nhanh hơn vi khuẩn tự dưỡng trong điều kiện nồng độ các chất hữu cơ cao nên vi khuẩn dị dưỡng sẽ hạn chế sự sinh trưởng cử vi khuẩn tự dưỡng. Cơ chế này có thể coi là “cạnh tranh đào thải”.

- Cơ chế thứ hai: vi khuẩn Anammox vẫn là loài chiếm ưu thế trong hệ thống Anammox dưới điều kiện nồng độ các chất hữu cơ cao nhưng vi khuẩn Anammox thực hiện con đường trao đổi chất khác, sử dụng cacbon tạo ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ của các vi khuẩn khác. Nói cách khác, vi khuẩn Anammox thể hiện sự đa dạng chất nền hoặc đa dạng chuyển hóa.

Kết quả là, hoạt động của Anammox giảm dẫn đến giảm hiệu quả xử lý. Nếu coi Anammox và sự oxy hóa các chất hữu cơ là hai quá trình riêng biệt, quá trình Anammox có thể được phục hồi trong điều kiện không có chất hữu cơ. Cơ chế này có thể coi là “ức chế chuyển hóa trao đổi chất”.

Một vài nghiên cứu cho rằng vi khuẩn Anammox có thể tồn tại cùng với các vi khuẩn khác như vi khuẩn khử nitrat và sự tồn tại song song này đóng vai trò quan trọng trong xử lý nitơ và COD trong nước thải. Quá trình khử nitrat dị dưỡng có thể được hạn chế bằng cách giảm sự có mặt của cacbon hữu cơ dễ phân hủy sinh học, như thế vi khuẩn Nitrat hóa sẽ không thể phát triển và cạnh tranh với Anammox trong môi trường như nước ép bùn, nước rỉ rác.

Việc kiểm soát các thông số DO, pH và nhiệt độ cũng rất quan trọng để duy trì sự tồn tại song song của Anammox với các quá trình khác, hữu ích cho việc xử lý đồng thời nitơ và các chất hữu cơ khác trong hệ thống một giai đoạn. Kartal và cộng sự kết luận rằng vi khuẩn Anammox (Candidatus ‘Anammoxoglobus propionicus) đã thể hiện tính cạnh tranh đào thải với các vi khuẩn Anammox khác và vi khuẩn Nitrat hóa với propionate là chất cho điện tử trong sự có mặt của amoni. Mặc dù loài vi khuẩn Anammox này không đồng hóa propionate trực tiếp, nó vẫn sử dụng CO2 là nguồn cacbon duy nhất.

Vi khuẩn Anammox cũng có thể được làm giàu tới mật độ cao trong sự hiện diện của Acetate. Việc làm giàu sinh khốicủavi khuẩn Candidatus ‘Brocadia fulgida’ có thể oxy hóa các hợp chất hữu cơ khác như format, propionate, vi khuẩn monomet ‘Brocadia fulgida’ có thể oxy hóa các hợp chất hữu cơ khác như format, propionate, monomethylamine và Dimethylamine.

Guven và cộng sự cũng chứng minh rằng vi khuẩn Anammox có một quá trình chuyển hóa linh hoạt hơn, propionate và acetate đã thể hiện là chất nền tiềm năng cho vi khuẩn Anammox. Số lượng tương đối vi khuẩn Anammox và vi khuẩn Nitrat hóa không thay đổi đáng kể trong môi trường làm giàu sử dụng propionate trong 150 ngày.

4.7. Ảnh hưởng của các chất hữu cơ có tính độc

Các chất hữu cơ độc ảnh hưởng tới Anammox bằng cách gây ngộ độc vi khuẩn hoặc khử hoạt lực enzyme, và tác động này thường không thể phục hồi. Alcohol, aldehydes, phenol và các chất kháng sinh là 4 loại chất hữu cơ có khả năng ức chế quá trình Anammox.

Alcohol và aldehyde: Trong hệ thống xử lý nước thải tự nhiên, nồng độ methanol 3-4 mM có thể ức chế gần như hoàn toàn hoạt động của vi khuẩn Anammox. Guven và các cộng sự cho rằng 0,5 mM methanol sẽ ức chế không thể phục hồi đối với vi khuẩn Anammox. Oshiki và cộng sự kết luận hoạt động của vi khuẩn Anammox giảm 86% ở nồng độ methanol 1 Mm.

Nhưng Isaka và cộng sự quan sát thấy rằng 5 mM methanol chỉ làm giảm 71% hoạt động của Anammox trong các thí nghiệm hàng loạt. Sự khác biệt này là do sử dụng các loại Anammox khác nhau. Isaka và các cộng sự nghiên cứu các nhóm vi khuẩn Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Planctomyces KSU-1, và Candidatus Brocadia Anammoxidans, trong khi Oshiki và cộng sự nghiên cứu chủng vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia sinica.

Vi khuẩn Anammox có thể chịu đựng ảnh hưởng của methanol ở một mức độ nhất định. Tang và cộng sự đã làm giàu thành công Anammox từ bùn methanogenesis có chứa nồng độ các chất hữu cơ và methanol cao. Sự khác nhau trong tác động của methanol chủ yếu là do sự khác biệt về loại và các điều kiện thực nghiệm. Cơ chế của sự ảnh hưởng của methanol đối với Anammox cuối cùng cũng được tìm ra là do sự ức chế của formaldehyde.

Nghiên cứu chỉ ra rằng, nếu hoạt động của Anammox là tĩnh (ngủ đông) khi chất nền không được cung cấp thì ảnh hưởng của methanol không được tìm thấy. Methanol có thể được chuyển hóa thành formaldehyde trong tế bào do hoạt động của enzyme Anammox - hydroxylamine oxidoreductase. Formaldehyde phá hủy hoạt động của enzyme và protein bằng cách phân cắt không phục hồi các chuỗi peptide, gây ra tác động không thể phục hồi đối với vi khuẩn Anammox.

Có thể kết luận rằng, tác động của alcohol đối với Anammox chủ yếu là do enzymecủa vi khuẩn Anammox chuyển hóa alcohols thành dạng aldehyde tương ứng của chúng và ảnh hưởng trực tiếp lên phản ứng Anammox.

Phenol: Các hợp chất phenol hiếm khi có mặt trong nước thải sinh hoạt, chúng thường được tìm thấy trong một số nước thải công nghiệp, chẳng hạn như nước thải từ nhà máy bột giấy, các ngành công nghiệp dệt may và hóa dầu, nhà máy lọc dầu, nhà máy khí hóa than, dược phẩm, phân bón, sản xuất dầu mỡ và sơn, nhà máy sản xuất ván sợi ép.

Toh và cộng sự đã làm giàu thành công vi khuẩn Anammox Candidatus Brocadia Anammoxidans từ bùn thải nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt và kiểm tra tính thích nghi của vi khuẩn sử dụng nước thải tổng hợp có chứa phenol. Khi nồng độ phenol tăng dần từ 50 (± 10) mg/l đến 550 (± 10) mg/l, khả năng loại bỏ nitơ giảm nhưng sau đó dần phục hồi. Các kết quả này chỉ ra rằng phenol có tác động xấu tới sự trao đổi chất của vi khuẩn Anammox, nhưng hoạt động của vi khuẩn Anammox vẫn được tăng cường nhờ khả năng thích nghi của chúng.

4.8. Ảnh hưởng của nguồn cacbon vô cơ

Vi khuẩn Anammox là vi sinh vật tự dưỡng, chỉ sử dụng CO2 làm nguồn cacbon duy nhất. Do đó nồng độ bicacbonat dòng vào là đặc biệt quan trọng cho quá trình làm giàu Anammox. Thông thường, sự bổ sung thích hợp cacbon vô cơ sẽ thúc đẩy sự tăng trưởng và tăng cường hoạt động của vi khuẩn Anammox. Tuy nhiên, bổ sung quá nhiều CO2 sẽ làm thay đổi pH của dung dịch nuôi cấy.

4.9. Ảnh hưởng của độ mặn

Độ mặn cao sẽ dẫn đến áp suất thẩm thấu cao và vi sinh vật trong môi trường có độ mặn cao có thể bị chết hoặc không hoạt động. Như vậy, áp suất thẩm thấu trong nước thải tập trung có thể ức chế vi khuẩn. Tuy nhiên, vi khuẩn Anammox được tìm thấy phổ biến trong môi trường nước biển thiếu oxy. Một số nhà nghiên cứu làm giàu vi khuẩn Anammox từ trầm tích biển cho rằng Anammox có khả năng thích nghi nhanh trong môi trường có nồng độ muối cao.

Khi độ mặn ở một giá trị nhất định (3-15 g NaCl/l) thúc đẩy sự hình thành bùn Anammox dạng hạt và làm tăng khả năng lưu giữ của vi khuẩn trong bể phản ứng nhưng độ mặn cao sẽ ức chế vi khuẩn Anammox. Tuy nhiên, hiệu suất quá trình Anammox dưới điều kiện độ mặn cao tăng dần nhờ khả năng thích nghi của vi khuẩn.

Tác động của độ mặn phụ thuộc vào loại muối, loại bùn ở các điều kiện thí nghiệm. Dapena-Mora và cộng sự chứng minh được rằng NaCl không ảnh hưởng tới Anammox khi nồng độ ở mức dưới 8,78 mg/l. Khi nồng độ KCl cao hơn 7,45 g/l hoặc nồng độ Na2SO4 cao hơn 7,1 g/l, Anammox bị ức chế.

Kartal và cộng sự kết luận rằng vi khuẩn Anammox từ hệ thống nước sạch có thể thích nghi với môi trường có nồng độ muối cao tới 30 g/l. Nồng độ muối (90% NaCl và 10% KCl) tăng dần với gradient nồng độ 5, 10, 30, 40, 60, 75 và 90 mg/l.

4.10. Ảnh hưởng kim loại nặng

Kim loại nặng khó phân hủy sinh học và có thể tích lũy trong sinh vật, gây ngộ độc sinh học. Một số loại nước thải giàu nitơ như nước rỉ rác thường chứa nhiều ion kim loại nặng. Đã có nghiên cứu cho rằng, chỉ cần 1 mmol/l HgCl2 có thể ức chế hoàn toàn hoạt động của Anammox [8].

4.11. Ảnh hưởng của photphat và sulfua

Phophat và Sulfua là hai chất vô cơ phổ biến ức chế quá trình Anammox. Sulfat thường chuyển hóa thành H2S trong phân hủy kỵ khí và gây hại cho sự sinh trưởng của Anammox. Do sự khác biệt về loài chiếm ưu thế và điều kiện vận hành, ảnh hưởng của photphat và sulfua trong các nghiên cứu là khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây chủ yếu được thực hiện với chủng vi sinh Candidatus Kuenenia stuttgartiensis. Do đó chưa có kết luận đối với một số chủng vi khuẩn Anammox khác.

4.12. Ảnh hưởng của chất nền

4.13. Ảnh hưởng của nguồn cacbon

4.14. Ảnh hưởng của nguồn cacbon hữu cơ

4.15. Ảnh hưởng của các yếu tố khác