Xử lý Nitơ bằng Quá trình Feammox

Xử lý nitơ trong nước thải là thách thức lớn do ảnh hưởng của amoni (NH₄⁺) đến chất lượng nước và sức khỏe con người. Các phương pháp truyền thống như nitrat hóa-khử nitrat đòi hỏi nhiều năng lượng và nguồn carbon hữu cơ. Feammox (Ferric Ammonium Oxidation) nổi lên như một công nghệ bền vững hơn, sử dụng sắt (III) làm chất nhận electron để oxy hóa amoni trong điều kiện kỵ khí

Feammox là quá trình vi sinh vật oxy hóa NH₄⁺ thành các sản phẩm như nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻), hoặc trực tiếp thành khí N₂, đồng thời khử Fe³⁺ thành Fe²⁺.

Quá trình Feammox dựa trên khả năng oxy hóa amoni (NH₄⁺) bởi các ion Fe(III) trong điều kiện kỵ khí, tạo ra các sản phẩm như nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻) hoặc trực tiếp chuyển hóa thành nitơ phân tử (N₂) tùy thuộc vào điều kiện môi trường (đặc biệt là pH). Một số phản ứng tiêu biểu được nghiên cứu như sau:

• Phản ứng tạo NO₂⁻:

  NH₄⁺ + 6Fe(OH)₃ + 10H⁺ → NO₂⁻ + 6Fe²⁺ + 16H₂O
  (ΔG ≈ –245 kJ/mol)

• Phản ứng tạo N₂:

  NH₄⁺ + 3Fe(OH)₃ + 5H⁺ → 0.5N₂ + 3Fe²⁺ + 9H₂O
  (ΔG ≈ –164 kJ/mol)

• Ngoài ra, dưới một số điều kiện khác, quá trình cũng có thể tạo ra NO₃⁻ với nhiệt động lực học thuận lợi.
  (Ví dụ: phản ứng chuyển đổi qua lại giữa các dạng oxi hóa của nitơ)

Quá trình này phụ thuộc vào pH, với việc chuyển hóa trực tiếp NH₄⁺ thành N₂ thường xảy ra ở điều kiện trung tính, trong khi NO₂⁻/NO₃⁻ hình thành ở môi trường axit .

Vi sinh vật tham gia tiến trình Feammox

Quá trình Feammox được thực hiện nhờ hoạt động của một nhóm vi sinh vật kỵ khí, chủ yếu là các loài có khả năng khử Fe(III). Một số nghiên cứu cho thấy vi khuẩn thuộc nhóm sau.

-Chủng chính: Họ Acidimicrobiaceae, đặc biệt là Strain A6, được phân lập từ môi trường giàu sắt và có khả năng oxy hóa NH₄⁺ ở pH thấp (5–6) .

-Cơ chế: Enzyme đặc hiệu chuyển electron từ NH₄⁺ sang Fe³⁺, tạo năng lượng cho vi khuẩn. Các nghiên cứu gần đây cũng phát hiện sự tham gia của Geobacteraceae trong hệ thống điện hóa .

Những vi khuẩn này không chỉ giúp chuyển hóa NH₄⁺ thành các sản phẩm nitơ mà còn đồng thời thực hiện sự khử của các hợp chất sắt, góp phần cân bằng hệ thống oxy hóa – khử trong môi trường xử lý nước thải

Yếu tố ảnh hưởng tới quá trình Feammox

-pH: Hiệu suất tối ưu trong khoảng 5–7, do Fe³⁺ dễ hòa tan ở môi trường axit yếu .

-Nhiệt độ: Hoạt động mạnh ở 25–35°C (điều kiện mesophilic) .

-Tỷ lệ NH₄⁺/Fe³⁺: Cần cân bằng để tránh thiếu hụt chất nhận electron. Ví dụ, tỷ lệ COD/NH₄⁺ = 1.4 cho hiệu suất loại bỏ NH₄⁺ lên đến 98.3% .

-Chất hữu cơ: COD cao có thể cạnh tranh với Feammox, nhưng một số hệ thống kết hợp Feammox với xử lý COD đạt hiệu quả đồng thời .

Ưu điểm

• Tiết kiệm năng lượng:
  Vì Feammox hoạt động ở điều kiện kỵ khí, quá trình này không đòi hỏi cung cấp oxy như trong nitrification–denitrification, giúp giảm chi phí vận hành.

• Đơn giản hóa quy trình:
  Quá trình chuyển hóa NH₄⁺ có thể diễn ra trong một bước duy nhất, giúp giảm bớt các khâu vận hành phức tạp của hệ thống xử lý truyền thống.

• Tính ổn định và thích nghi:
  Các mô hình phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng hệ vi sinh vật Feammox có thể đạt hiệu quả loại bỏ NH₄⁺ lên đến khoảng 90% trong các điều kiện pH trung tính (6,5–7,7) và điện thế oxy hóa – khử dao động hợp lý

Ứng dụng Feammox

-Xử lý nước thải giàu amoni: Áp dụng cho nước rỉ rác, nước thải nông nghiệp với hiệu suất loại bỏ NH₄⁺ >90% .

-Hệ thống điện hóa (MEC): Sử dụng điện áp 0.6 V để tái chế Fe³⁺, tăng tốc độ oxy hóa NH₄⁺ lên gấp 3 lần so với Feammox truyền thống .

-Kết hợp với Anammox: Tạo chu trình Fe(III)/Fe(II) để loại bỏ nitơ hoàn toàn, giảm nhu cầu năng lượng .

Thách thức

-Tốc độ chậm: So với phương pháp truyền thống, đòi hỏi thời gian lưu thủy lực dài (6–30 ngày) .

-Phụ thuộc vào Fe³⁺: Cần cơ chế tái tạo Fe³⁺ liên tục. Giải pháp tích hợp MEC giúp tăng tính bền vững .

-Cạnh tranh vi sinh: Quá trình DNRA (khử nitrat thành amoni) có thể làm giảm hiệu quả .

Nghiên cứu hiện tại

-Vật liệu dẫn điện: Biochar và vật liệu nano (như carbon nanotubes) cải thiện tốc độ chuyển electron, tăng hiệu suất Feammox .

-Phân tích di truyền: RNA-SIP xác định quần thể vi khuẩn Feammox trong đất lúa .

-Mô hình hóa: Nghiên cứu nhiệt động học của Feammox ở các pH khác nhau, giúp tối ưu hóa điều kiện vận hành .

Triển vọng tương lai

-Giảm phát thải khí nhà kính: Feammox hạn chế sản sinh N₂O so với quy trình truyền thống .

-Tích hợp công nghệ: Kết hợp với màng lọc sinh học hoặc hệ thống vi hiếu khí để xử lý nitơ và chất hữu cơ đồng thời .

-Nghiên cứu quy mô lớn: Chuyển từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế, đặc biệt ở khu vực thiếu năng lượng .

Kết luận

Feammox là giải pháp tiềm năng cho xử lý nitơ bền vững, đặc biệt khi kết hợp với công nghệ điện hóa hoặc Anammox. Dù còn thách thức về tốc độ và nguồn cung sắt, các nghiên cứu gần đây đã mở ra hướng ứng dụng rộng rãi, từ xử lý nước thải đến phục hồi môi trường