Chu trình Nitơ là gì? Các giai đoạn và ứng dụng trong xử lý nước thải

Chu trình Nitơ là chuỗi biến đổi của Nitơ giữa khí N2, Nitơ hữu cơ, Amoni (NH4+), Nitrit (NO2–) và Nitrat (NO3–), phần lớn do vi sinh vật thực hiện. Chu trình gồm 5 giai đoạn cố định đạm, đồng hóa, Amoni hóa, Nitrat hóa và khử Nitrat. Trong xử lý nước thải, ba giai đoạn Amoni hóa – Nitrat hóa – khử Nitrat được vận hành có kiểm soát trong bể sinh học để đưa Nitơ trở lại khí quyển dưới dạng N2.

Bài viết giải thích từng giai đoạn kèm sơ đồ, sau đó chỉ ra chu trình này diễn ra ở bể nào trong hệ thống xử lý nước thải và cách đọc chỉ tiêu đầu ra để biết giai đoạn nào đang gặp vấn đề.

Chu trình Nitơ là gì? Chu trình Nitơ diễn ra như thế nào?

Nitơ tồn tại ở những dạng nào?

Nitơ chiếm khoảng 78% thể tích khí quyển dưới dạng khí N2. Tuy vậy, phần lớn sinh vật không dùng trực tiếp được N₂ vì liên kết ba giữa hai nguyên tử Nitơ rất bền. Trong đất, nước và nước thải, Nitơ tồn tại ở hai nhóm: Nitơ hữu cơ (gắn trong Protein, Axit Amin, Urê…) và Nitơ vô cơ (Amoni, Nitrit, Nitrat, các oxit Nitơ, khí N2).

Dạng Ký hiệu Nhóm Số oxi hóa Thường gặp ở đâu
Nitơ hữu cơ (Protein, Axit Amin, Urê) R–NH2 Hữu cơ -3 Xác sinh vật, chất thải, nước thải sinh hoạt và chế biến thực phẩm
Amoni / Amoniac NH₄⁺ / NH₃ Vô cơ -3 Sản phẩm của amoni hóa; nước thải chưa xử lý
Khí Nitơ N₂ Vô cơ 0 Khí quyển; sản phẩm cuối của khử Nitrat
Đinitơ oxit N₂O Vô cơ +1 Sản phẩm trung gian, sản phẩm phụ của nitrat hóa và khử Nitrat
Nitơ monoxit NO Vô cơ +2 Sản phẩm trung gian của khử Nitrat
Nitrit NO₂⁻ Vô cơ +3 Sản phẩm trung gian của nitrat hóa
Nitrat NO3– Vô cơ +5 Sản phẩm của nitrat hóa; nước sau bể hiếu khí

Chu trình Nitơ là gì?

Chu trình Nitơ là một quá trình mà theo đó Nitơ bị biến đổi qua lại giữa các dạng hợp chất hóa học của nó. Việc biến đổi này có thể được tiến hành bởi cả hai quá trình sinh học và phi sinh học.

Quá trình quan trọng trong chu trình Nitơ bao gồm: Sự cố định Nitơ, khoáng hóa, Nitrat hóa và khử Nitrat. Thành phần chính của khí quyển (khoảng 78,1%) là Nitơ, bởi vậy có thể xem đó là một bể chứa Nitơ lớn nhất.

Chu trình Nitơ mô tả các quá trình chuyển hóa cũng như dạng chuyển hóa tồn tại của Nitơ vào trong các môi trường khác nhau để sinh vật có thể sử dụng và hấp thụ.

5 giai đoạn của chu trình Nitơ

Mô tả về chu trình Nitơ.
Mô tả về chu trình Nitơ.

– (1) Cố định Nitơ: Chuyển N2 thành NH3/NH4+

Cố định Nitơ (cố định đạm) là quá trình chuyển khí Nitơ (N2) trong khí quyển thành Amoniac (NH3) hoặc Amoni (NH4+) – những dạng Nitơ mà sinh vật có thể sử dụng. Quá trình này diễn ra theo ba con đường chính:

  • Sinh học: Vi khuẩn cố định đạm sống tự do hoặc cộng sinh trong nốt sần rễ cây họ Đậu (như Rhizobium) và vi khuẩn lam sử dụng enzyme nitrogenase để chuyển hóa N2.
  • Tự nhiên phi sinh học: Năng lượng từ tia sét giúp chuyển N₂ thành các oxit Nitơ. Những hợp chất này theo nước mưa đi vào đất.
  • Công nghiệp: Quy trình Haber-Bosch tổng hợp Amoniac từ Nitơ và Hydro để sản xuất phân đạm.

Trong hệ thống xử lý nước thải: Cố định đạm gần như không đóng vai trò đáng kể vì nước thải thường đã chứa lượng Nitơ cần xử lý. Trọng tâm của hệ thống là chuyển hóa và loại bỏ Nitơ có sẵn trong nước thải.

– (2) Đồng hóa: Chuyển NH4+, NO3– thành Nitơ hữu cơ

Đồng hóa Nitơ là quá trình thực vật, tảo và vi sinh vật hấp thụ Amoni (NH4+) hoặc Nitrat (NO3–) để tổng hợp các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ như Axit Amin, Protein, Axit Nucleic và diệp lục. Động vật tiếp nhận Nitơ hữu cơ thông qua chuỗi thức ăn.

Trong hệ thống xử lý nước thải: Vi sinh vật trong bùn hoạt tính cũng đồng hóa Nitơ trong quá trình sinh trưởng. Sinh khối vi khuẩn thường được biểu diễn bằng công thức C₅H₇NO₂ (theo Metcalf & Eddy), trong đó Nitơ chiếm khoảng 12% khối lượng.

Vì vậy, một phần Nitơ trong nước thải được giữ lại trong sinh khối vi sinh vật và rời khỏi hệ thống thông qua quá trình xả bùn dư.

Cần phân biệt rằng đồng hóa Nitơ không phải là quá trình khử Nitrat. Lượng Nitơ được loại bỏ thông qua đồng hóa phụ thuộc vào lượng bùn sinh ra, do đó không thể chủ động điều chỉnh độc lập như quá trình khử Nitrat.

– (3) Amoni hóa: Chuyển Nitơ hữu cơ thành NH4+

Amoni hóa (khoáng hóa Nitơ) là quá trình vi khuẩn và nấm dị dưỡng phân giải các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, chẳng hạn Protein, Axit Amin và Urê, để giải phóng Nitơ dưới dạng Amoni (NH4+).

Quá trình này xảy ra khi sinh vật chết, phân hủy hoặc bài tiết chất thải chứa Nitơ.

Trong hệ thống xử lý nước thải: Amoni hóa có thể bắt đầu ngay từ đường ống thu gom và bể điều hòa.

  • Nước thải sinh hoạt chứa Urê, chất này bị thủy phân và chuyển hóa thành Amoni.
  • Nước thải chế biến thủy sản, thực phẩm và giết mổ thường chứa nhiều protein. Trong quá trình phân hủy, lượng Amoni có thể tăng dần theo dòng nước qua hệ thống.

Do đó, khi đánh giá tải lượng Nitơ đầu vào, cần quan tâm đến Tổng Nitơ Kjeldahl (TKN) thay vì chỉ đo nồng độ Amoni. TKN phản ánh lượng Nitơ hữu cơ và Nitơ Amoni có trong mẫu nước.

– (4) Nitrat hóa: Chuyển NH4+ thành NO2– và NO3–

Nitrat hóa (Nitrification) là quá trình oxy hóa Amoni thành Nitrat trong điều kiện hiếu khí, được thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự dưỡng thông qua hai bước liên tiếp:

Bước 1- Oxy hóa Amoni: Vi khuẩn thuộc nhóm Nitrosomonas oxy hóa Amoni (NH4+) thành Nitrit (NO2–):

NH4+ + 1,5O2 → NO2– + 2H+ + H2O

Bước 2 – Oxy hóa Nitrit: Vi khuẩn thuộc nhóm Nitrobacter và Nitrospira tiếp tục oxy hóa Nitrit (NO2–) thành Nitrat (NO3–):

NO2– + 0,5O2 → NO3–

Tính chung cả hai bước, quá trình nitrat hóa có các đặc điểm sau:

  • Mỗi gam Nitơ-Amoni được oxy hóa tiêu thụ khoảng 4,57 g O2.
  • Tiêu thụ khoảng 7,14 g độ kiềm (tính theo CaCO3).
  • Ion H+ sinh ra trong bước oxy hóa Amoni làm giảm pH nếu hệ thống không được bổ sung đủ độ kiềm.

Ngoài ra, Nitrit (NO2–) là dạng trung gian có độc tính đối với sinh vật thủy sinh. Vì vậy, bước oxy hóa Nitrit cần diễn ra đủ nhanh để tránh Nitrit tích tụ trong nước.

Trong hệ thống xử lý nước thải: Nitrat hóa diễn ra chủ yếu tại bể hiếu khí, chẳng hạn Aerotank, MBBR hoặc pha sục khí của SBR.

Một điểm quan trọng cần lưu ý là nitrat hóa chỉ chuyển Nitơ từ dạng Amoni sang dạng Nitrat, chứ không trực tiếp làm giảm Tổng Nitơ trong nước thải. Để loại bỏ Nitơ hoàn toàn hơn, hệ thống cần kết hợp thêm quá trình khử Nitrat.

Các điều kiện ảnh hưởng đến hoạt động của Nitrosomonas và Nitrobacter như DO, pH, độ kiềm và tuổi bùn được trình bày chi tiết trong bài Vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong xử lý Nitơ>>>

– (5) Khử Nitrat: Chuyển NO3– thành khí N2

Khử Nitrat (Denitrification) là quá trình vi khuẩn dị dưỡng tùy nghi sử dụng Nitrat (NO3–) thay cho oxy tự do làm chất nhận điện tử để phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện thiếu khí (Anoxic).

Trong quá trình này, Nitrat được khử tuần tự qua các dạng trung gian:

NO3– → NO2– → NO → N2O → N2↑

Sản phẩm cuối cùng là khí Nitơ (N2), thoát khỏi nước và đi vào khí quyển, giúp khép lại chu trình Nitơ.

Các nhóm vi khuẩn dị dưỡng tùy nghi tham gia quá trình này có thể kể đến Pseudomonas, Paracoccus và Bacillus.

Mỗi gam Nitơ-Nitrat được khử cần khoảng 2,86 g COD (tương đương 1,9 g methanol) và tạo ra khoảng 3,57 g độ kiềm. Vì vậy, bể Anoxic cần được cung cấp đủ nguồn carbon hữu cơ để vi sinh vật thực hiện quá trình khử Nitrat.

Chu trình Nitơ là gì? Chu trình Nitơ diễn ra như thế nào?
Sơ đồ chuyển hóa Nitrit và Nitrat trong chu trình Nitơ.

>>> Cơ chế từng bước và bảng so sánh với quá trình nitrat hóa được trình bày trong bài Quá trình khử Nitrat diễn ra như thế nào?

>>> Để tìm hiểu điều kiện vận hành kết hợp hai quá trình, tham khảo bài Điều kiện để Nitrat hóa và khử Nitrat hoạt động hiệu quả

Điều kiện thiếu khí (Anoxic) và kỵ khí (Anaerobic) thường bị nhầm lẫn khi tìm hiểu về xử lý Nitơ, nhưng có sự khác biệt rõ ràng:

  • Thiếu khí (Anoxic): Không có oxy tự do nhưng có Nitrat. Đây là điều kiện cần thiết để vi sinh vật thực hiện quá trình khử Nitrat.
  • Kỵ khí (Anaerobic): Không có cả oxy tự do lẫn Nitrat. Đây là môi trường diễn ra các quá trình lên men, sinh khí Metan và trong công nghệ AAO, tạo điều kiện để vi khuẩn tích lũy Photpho giải phóng Photpho.

Ngoài các quá trình trên, chu trình Nitơ còn có một con đường chuyển hóa đặc biệt là Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation). Năm 1999, Strous và cộng sự công bố trên tạp chí Nature về nhóm vi khuẩn thuộc ngành Planctomycetes có khả năng oxy hóa Amoni bằng Nitrit trong điều kiện kỵ khí, tạo thành khí Nitơ (N2).

Khác với quá trình nitrat hóa và khử Nitrat truyền thống, Anammox chuyển hóa Amoni và Nitrit trực tiếp thành N2, không cần chuyển qua bước Nitrat và không cần bổ sung chất hữu cơ làm nguồn Carbon. Nhờ đặc điểm này, Anammox được nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý các dòng nước thải có hàm lượng Amoni cao nhưng ít chất hữu cơ.

– Bảng tổng hợp 5 giai đoạn chính của chu trình Nitơ

Giai đoạn Quá trình chuyển hóa Tác nhân chính Điều kiện Vai trò trong xử lý nước thải
1. Cố định Nitơ N2 → NH3/NH4+ Vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn lam; tia sét; quy trình Haber-Bosch Sinh học cần enzyme Nitrogenase Không đáng kể
2. Đồng hóa NH4+, NO3– → Nitơ hữu cơ Thực vật, tảo, vi sinh vật Khi sinh vật sinh trưởng Nitơ được giữ lại trong sinh khối và loại theo bùn dư
3. Amoni hóa Nitơ hữu cơ → NH4+ Vi khuẩn, nấm dị dưỡng Điều kiện hiếu khí và kỵ khí Diễn ra trong đường ống, bể điều hòa và các công đoạn sinh học
4. Nitrat hóa NH4+ → NO2– → NO3 Nitrosomonas, Nitrobacter, Nitrospira Hiếu khí, đủ độ kiềm Diễn ra tại bể hiếu khí Aerotank, MBBR, pha sục khí SBR
5. Khử Nitrat NO3– → N2 Vi khuẩn dị dưỡng tùy nghi Thiếu khí, có chất hữu cơ Diễn ra tại bể thiếu khí Anoxic

Chu trình Nitơ trong hệ thống xử lý nước thải

Trong hệ thống xử lý nước thải, Nitơ được chuyển hóa qua nhiều dạng khác nhau nhờ hoạt động của vi sinh vật tại các bể sinh học. Mục tiêu là chuyển Amoni thành Nitrat, sau đó khử Nitrat thành khí Nitơ (N2) để đưa Nitơ ra khỏi nước trước khi xả thải. Hệ thống xử lý sinh học vì vậy mô phỏng một phần chu trình Nitơ tự nhiên thông qua các công đoạn nối tiếp, chủ yếu gồm Amoni hóa, Nitrat hóa, khử Nitrat và đồng hóa.

– Nitơ trong nước thải tồn tại dưới những dạng nào?

Nitơ trong nước thải thường tồn tại dưới 4 dạng chính:

  • Nitơ hữu cơ: Có trong Protein, Axit Amin, Urê và các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ.
  • Amoni (NH4+): Hình thành từ quá trình phân hủy Nitơ hữu cơ và có thể tồn tại sẵn trong nước thải đầu vào.
  • Nitrit (NO2–): Sản phẩm trung gian hình thành trong quá trình Nitrat hóa.
  • Nitrat (NO3–): Sản phẩm cuối của quá trình nitrat hóa, đồng thời là dạng Nitơ được vi sinh vật sử dụng trong quá trình khử Nitrat.

Trong nước thải chưa qua xử lý, Nitơ chủ yếu tồn tại dưới dạng Nitơ hữu cơ và Amoni. Hàm lượng Nitrit và Nitrat thường thấp hơn, nhưng có thể tăng lên trong quá trình xử lý sinh học, đặc biệt sau công đoạn hiếu khí.

Để đánh giá tổng lượng Nitơ trong nước thải, cần quan tâm đến hai chỉ tiêu phân tích quan trọng:

  • TKN (Tổng Nitơ Kjeldahl): Tổng lượng Nitơ hữu cơ và Nitơ Amoni trong mẫu nước.
  • Tổng Nitơ (TN): Bao gồm TKN, Nitrit và Nitrat.

Có thể biểu diễn mối quan hệ giữa hai chỉ tiêu như sau: TN = TKN + NO2– – N + NO3– – N

Đối với nước thải công nghiệp, QCVN 40:2025/BTNMT quy định giới hạn Amoni (tính theo N) lần lượt là 5, 10 và 12 mg/L; giới hạn Tổng Nitơ lần lượt là 20, 40 và 60 mg/L, tương ứng cột A, B và C.

Do phải đáp ứng đồng thời cả hai chỉ tiêu, hệ thống xử lý cần đảm bảo hai nhiệm vụ: chuyển hóa Amoni thông qua nitrat hóa và loại bỏ Nitơ thông qua khử Nitrat. Chỉ thực hiện nitrat hóa sẽ chưa đủ để kiểm soát Tổng Nitơ đầu ra.

Tham khảo chi tiết tại bài Giới hạn Amoni và Tổng Nitơ theo QCVN 40:2025/BTNMT>>>

– Các bể trong hệ thống xử lý đảm nhận giai đoạn nào của chu trình Nitơ?

Trong hệ thống xử lý nước thải sinh học, mỗi bể đảm nhận một vai trò nhất định trong quá trình chuyển hóa Nitơ. Sự phối hợp giữa bể thiếu khí (Anoxic), bể hiếu khí và dòng tuần hoàn nội quyết định hiệu quả loại bỏ Tổng Nitơ.

Một nguyên tắc quan trọng cần nhớ: Nitrat hóa chỉ chuyển Amoni thành Nitrat, còn khử Nitrat mới chuyển Nitơ hòa tan thành khí N₂ để đưa ra khỏi nước.

Vì vậy, hệ thống cần giảm Amoni và Tổng Nitơ thường phải kết hợp cả bể hiếu khí và bể thiếu khí.

  1. Đường ống thu gom và bể điều hòa – Amoni hóa: Vi sinh vật phân hủy Nitơ hữu cơ, chuyển dần thành Amoni (NH4+), tạo điều kiện cho quá trình xử lý tiếp theo.
  2. Bể thiếu khí (Anoxic) – Khử Nitrat: Trong điều kiện không có oxy tự do nhưng có Nitrat, vi sinh vật sử dụng NO3– và nguồn carbon hữu cơ để chuyển hóa Nitrat thành khí N2.
  3. Bể hiếu khí – Nitrat hóa và đồng hóa: Vi sinh vật oxy hóa Amoni (NH4+) thành Nitrit (NO2–), sau đó thành Nitrat (NO3–). Đồng thời, một phần Nitơ được hấp thụ để tổng hợp sinh khối. Quá trình cần đảm bảo DO, độ kiềm và tuổi bùn phù hợp.
  4. Dòng tuần hoàn nội – Đưa Nitrat về bể Anoxic: Nitrat hình thành ở bể hiếu khí được tuần hoàn về bể Anoxic để tiếp tục khử thành khí N2. Tỷ lệ tuần hoàn ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ Tổng Nitơ.
  5. Xả bùn dư – Loại Nitơ qua sinh khối: Một phần Nitơ được vi sinh vật hấp thụ vào tế bào và đưa ra khỏi hệ thống thông qua quá trình xả bùn dư.
  6. Bể kỵ khí trong công nghệ AAO – Xử lý Photpho: Bể kỵ khí chủ yếu phục vụ quá trình xử lý Photpho sinh học, không phải công đoạn xử lý Nitơ chính. Khác với bể Anoxic, bể kỵ khí không có cả oxy tự do lẫn Nitrat.

– Bảng tổng hợp vai trò của từng công đoạn trong chu trình Nitơ

Vị trí trong hệ thống Giai đoạn chuyển hóa Nitơ  Vai trò chính
Đường ống thu gom, bể điều hòa Amoni hóa Chuyển Nitơ hữu cơ thành Amoni (NH4+)
Bể thiếu khí (Anoxic) Khử Nitrat Chuyển Nitrat (NO3–) thành khí N2
Bể hiếu khí Nitrat hóa và đồng hóa Chuyển Amoni thành Nitrat và hấp thụ Nitơ vào sinh khối
Dòng tuần hoàn nội Tuần hoàn Nitrat Đưa Nitrat từ bể hiếu khí về bể Anoxic để tiếp tục khử
Công đoạn xả bùn dư Loại Nitơ qua đồng hóa Đưa Nitơ đã tích lũy trong sinh khối ra khỏi hệ thống
Bể kỵ khí (trong AAO) Không phải công đoạn xử lý Nitơ chính Tạo điều kiện cho quá trình xử lý Photpho sinh học

Lưu ý: Bảng mô tả vai trò điển hình trong hệ thống sinh học có kết hợp nitrat hóa và khử Nitrat. Vị trí và cách bố trí các bể có thể thay đổi tùy công nghệ.

– Sơ đồ dòng chuyển hóa Nitơ trong hệ thống xử lý nước thải

Trong sơ đồ xử lý Nitơ phổ biến theo công nghệ A/O hoặc AAO, bể Anoxic thường được bố trí trước bể hiếu khí. Cách sắp xếp này giúp tận dụng nguồn carbon hữu cơ có sẵn trong nước thải đầu vào để cung cấp năng lượng cho vi sinh vật khử Nitrat.

Dòng Nitơ trong hệ thống có thể khái quát như sau:

  1. Bể điều hòa: Nitơ hữu cơ được phân hủy và chuyển dần thành Amoni.
  2. Bể Anoxic: Nitrat từ dòng tuần hoàn nội được vi sinh vật khử thành khí N2.
  3. Bể hiếu khí: Amoni được oxy hóa thành Nitrat.
  4. Tuần hoàn nội: Một phần nước từ bể hiếu khí được đưa trở lại bể Anoxic để tiếp tục khử Nitrat.
  5. Bể lắng và xả bùn: Sinh khối chứa Nitơ được tách khỏi nước và một phần được đưa ra ngoài thông qua xả bùn dư.

Như vậy, hiệu quả xử lý Tổng Nitơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa quá trình nitrat hóa, khử Nitrat và tuần hoàn nội. Nếu chỉ có bể hiếu khí mà không có công đoạn khử Nitrat phù hợp, Nitơ vẫn tồn tại trong nước chủ yếu dưới dạng Nitrat.

– Chu trình Nitơ trong hệ thống xử lý nước thải khác gì so với tự nhiên?

Chu trình Nitơ trong hệ thống xử lý nước thải có ba điểm khác biệt chính so với chu trình Nitơ trong tự nhiên:

  • Không diễn ra quá trình cố định đạm: Nước thải vốn đã chứa Nitơ cần xử lý, nên hệ thống tập trung chuyển hóa và loại bỏ Nitơ thay vì bổ sung Nitơ từ khí quyển.
  • Quá trình được kiểm soát: Các giai đoạn chuyển hóa diễn ra trong những bể sinh học nối tiếp. Tốc độ xử lý phụ thuộc vào các yếu tố như DO, tuổi bùn, tỷ lệ tuần hoàn nội và nguồn carbon hữu cơ.
  • Mục tiêu loại bỏ Nitơ: Trong tự nhiên, Nitơ được luân chuyển giữa môi trường và sinh vật. Trong xử lý nước thải, mục tiêu là đưa Nitơ ra khỏi nước, chủ yếu dưới dạng khí N2 thông qua khử Nitrat và một phần theo bùn dư.

– Ý nghĩa của chu trình Nitơ trong xử lý nước thải

Chu trình Nitơ là cơ sở của quá trình xử lý Nitơ bằng phương pháp sinh học. Trong đó, nitrat hóa và khử Nitrat là hai quá trình quan trọng quyết định khả năng loại bỏ Amoni và Tổng Nitơ trong nước thải. Để các quá trình này diễn ra hiệu quả, hệ thống cần có các nhóm vi sinh vật chuyên biệt:

Việc bổ sung đúng nhóm vi sinh, kết hợp kiểm soát DO, pH, độ kiềm, tuổi bùn và nguồn carbon hữu cơ sẽ góp phần cải thiện hiệu suất xử lý Nitơ của hệ thống.

BIOGENCY đồng hành tư vấn lựa chọn chủng vi sinh và giải pháp phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả nitrat hóa, khử Nitrat, giúp hệ thống kiểm soát các chỉ tiêu Nitơ đầu ra tốt hơn.

Liên hệ BIOGENCY qua HOTLINE 0909 538 514 để được tư vấn giải pháp phù hợp với hệ thống xử lý nước thải.

>>> Xem thêm: Giải pháp xử lý Nitơ, Amonia trong nước thải từ BIOGENCY